Wednesday, 11 April 2007

時光之旅

本文作者:謝尚賢先生 物理學展開了一項重大研究,但有些事很難會得到學界認同,正如

史提分霍金(Prof. Stephen Hawking-Cambridge University)所說:

研究時空穿梭的物理學家,要小心不要被冠以怪人之名,或被指浪費公

帑研究妙想天開的事,但無論如何這是一個重要的課題。

現在科學正處於典型突破性時段,我們所知不多,有正反之爭,甚

至已有的論據也不實在,那是很迷惑和重要的時刻。我們還不太了解時

間的本質,牛頓認為時間像條河流,時間流動,人隨水飄流,大自然利

用時間令萬事有序,時間的定義不是三言兩語就能說清楚的。

對於愛恩斯坦的相對論的評價極高,因為他在其中為時間下了定義

,分析人和時間的關係。在相對論中愛恩斯坦提出人或任何物體移動得

越快,時間便過得越慢。在1971年,有實驗証明愛恩斯坦是對的,實驗

利用四個原子鐘在飛機上環遊世界,希菲爾(Prof. Joe Kafele -

Christopher Newport University)和基庭(Richard Keating - US

Naval Observatory)將原子鐘所示的時間,與地面上的時間作比較,

最初他們不知道會有何結果。幾十年後的今天,現代的原子鐘比以前的

更精確,這次由倫敦國家物理實驗室與希菲爾合作做實驗,在一次越洋

飛行中量度時差,他們在飛機上問飛機師取資料,再用愛恩斯坦的方程

式算出時差。假設你會活到一百歲,並且一輩子在飛機上生活,環遊世

界,那麼你便會比其他人長命萬份之一秒。以747客機的速度來說,出

現的時差不大,旅程由倫敦出發,原子鐘顯示的是國際時間,然後到達

美國時用相同時間制比較,結果真的成功了,實驗結束時兩邊的原子鐘

時間不同,相差四十奈秒,飛機上出現時差,一如愛恩斯坦所料。但不

只原子鐘會走慢了,蟲洞兩端也會有時差,因此可能能充當時光機器。

如果你聰明並且思想先進,你便能以數種方式用蟲洞穿梭時空,我

指的是能夠隨心所欲但無法打破基本定律的人。方法是將一邊蟲洞口送

到太空,以接近光速的速度將那洞內的時間拖慢,情況如747客機上的

實驗一樣,但層次更高、速度更快、旅程更長,當將這洞口帶返回地球

時,洞內的時間會比地球上的慢,比洞口的另一端更慢,蟲洞變成時光

隧道。如果我走進這洞去,我該可以從另一端回到昨天或更後的過去。

理論上蟲洞可用作充當時光機器,但實行又是另一回事,一個人縱

使思想非常先進,但製造時光機器的方法仍是未知之數。根據愛恩斯坦

理論所發現的蟲洞是轉瞬即逝,洞口張合得很快,快得想用它回到過去

的人不單只不能穿越進去,還會夾在洞口。而問題也不只一個,蟲洞比

原子還要小億萬倍,小得不能用,若人類想用它來穿梭時空,就要想辦

法拉開和固定洞口。

但我們如何拉開洞口讓人能夠安全進出呢?這就需要一些特殊物質

,一些帶負能源的東西。但若想要將洞口拉至一米寬讓人進出的話,就

需要約負一內量子的特殊物質(即負一木星的質量)。而一般物質都帶

有正能源的,那是否就沒有帶負能源的物質呢?時光機器便沒法成為事

實呢?不是的,在西雅圖的一所實驗室內,物理學家拉蒙諾(Prof.

Steve Lamoreaux - Washington University)便製造了負能源,而另

一物理學家維沙(Prof. Matt Visser - Washington U.)雖然是負能

源理論專家,但卻從沒見過負能源。實驗中的負能源是從真空裡產生出

的,位於兩塊平面間的小縫裡,當兩面靠近時,中間不會有長波段外的

光子,於是部份能源會被隔開,如此一來平面間的能源會比外面的能源

量低,兩平面間就產生引力,引力再把兩塊平面拉近,而這一步很重要

,因為這一步將能源密度變為負極,正是它轉化成特別物質的關鍵。實

驗中可量度出微小引力,這是科學上的大膽之舉,但可量度出負能源。

維沙說:╔我們認為這實驗可證明世上有特殊物質-負能源真的存在。╝

世上真的有負能源,將來一個思想非常先進的時空旅行家或許有足夠的

負能源將洞口拉開和固定,然後安全地回到過去。

既然有負能源,理論上蟲洞又能用作時光機器,科學家科恩

(Kip S. Thorne)便冒險公開了有關研究論文。科恩的研究引出了志

同道合的科學家諾維哥夫(Prof. Igor Novikov Copenhagen Uni),

諾維哥夫暗裡研究時空穿梭已許多年了,主要是研究人以時空穿梭並試

圖改變歷史時會遇上的困難。

時光機器之說成立後,便要面對相反理論,如果人能重返過去改寫

歷史,基本物理定律便會被打破,若我回到我還沒有出生的年份去,殺

死了未來的父親,那我會怎樣呢?會否立刻消失呢?要是這樣便回不到

過去,依似類推。但桌球便有助於我們明白時空穿梭的反論,剔除了人

的意願的複習問題,沒有時光機器的話,用桌球物理論解釋也很也簡單

明確,有時光機器的話情況就不同了,現在只能用這個桌球解釋。蟲洞

口A和B為例,A是入口B則是出口若一個桌球想由A洞進入,但在還沒有

進入時它已先從B洞口走出來,且撞倒了正在想進入A洞的自己,被撞的

球便沒法進入,這就是反論,用桌球解釋了袓父論。當然,這個問題已

不鮮,在文學、電影和科幻小說中也常有提及,而我們在說的不是空想

,乃是嚴肅的科學。

為了想辦法解釋反論,諾維哥夫提出了一個理論,說萬物並沒有矛

盾,只看能否找到沒矛盾的解釋,解釋為何桌球會撞中自己。如果桌球

也能重返過去,它就會把以前的自己撞進時光機器,球也藉著時光機器

回到過去,擊中自己,周而復始,這樣就能自圓其說了。諾維哥夫反覆

研究這條方程式後,認為只有這種解釋可以成立。這就是基本定律,萬

物不能互相矛盾,是簡單和最好不過的道理,而且有數據證明,這定律

源自基本物理。

根據這定律,穿梭時空的人不能夠改變歷史,發生了就是發生了,

不能改變,不能重來。但人不是機器,我們有個人意願,要是堅持己見

就能打破常規,做出不一樣的事。但諾維哥夫對這點的回應是:╔假設

我想走上一堵90度的牆上去,且不靠工具,但我不能夠,因為違反了物

理引力定律。引力令人無法走上這堵牆步行,也可說是引力限制了我的

意願。╝

本世紀初,美國飛行員伊格成為超音速飛行的第一人,這証明了音

障只是想像,並非真實存在,然而還有一道現時無法衝破的并障--光速

。談到光速,一切都變得詭異!若物體在空間移動越接近光速,越會進

入未來;但若超過了光速,便會回到過去的時間。雖然我們現時的物理

定律主張這點無法實現,不過或許有科學管導存在能讓人回到過去,多

年前的科學一致認同這是痴人說夢,但現在開始有理論模式顯示這是做

得到的,就是蟲洞。我們已知蟲洞存在於亞原子世界的泡沬中,但其開

口比原子小數十億倍。

縱使時空穿梭成真,其他定律也會阻止人改變歷史。決意要改變歷

史的人,如果要傳達訊息到過去,訊息就必須比光速更快,但現今物理

階段看似沒可能,不過層有過一陣國際風波,因為有人聲稱能傳達比光

速更快的訊息。實驗中的訊號被電子鏡分成兩部份(路徑)來通過預設

的設備,兩訊號通過後再量度兩者的比較。一組於空氣間流動通過,另

一組要穿過一重并障。做上述工序的人便是尼密之(Prof. Gunter Nimtz

Uni. of Cologne )尼密之分柝了一組微波訊號,在波動顯微鏡下清澈

可見在空氣中以光速傳送的一組訊號,以及另一組應該穿不過障礙的一

組,結果出乎意料之外。透過波動顯微鏡可以看到訊號,看到那一組比

較快,螢幕上兩組曲線的位置不同,其中一組較早出現,就是越過了障

礙的那一組。雖然只是大部份而不是全部穿過并障,但始終是穿過了,

而且它比光速快得多。

尼密之相信較快的那一組訊號是以量子隧道這種特殊方式穿越障礙

,此法在量子環境下可行,因為量子比原子小得多,是一個沒有規律的

世界,光子等粒子可以跳到這裡、那裡、那裡、、沒有特定規律,而光

子在末端出現時,尼等人就量度它們的速度。而另一科學家趙雷蒙

(Prof. Raymond Chiao -Uni. of California)是這方面的權威,但他

反對尼的看法,而同意他的部份言語。在尼的實驗中,光子能以光速的

一點七倍穿越障礙,趙同意量子隧道,能讓不規則光子衝破光速,但趙

與及物理學界等人卻不認同能以此不大規則的路徑來傳達訊息,趙說:

╔訊息是控制得到的,但量子隧道作用的光子是不規則的,所以不能用

來傳達訊息。>而尼的回應是:╔沒錯!部份同行說這不能通訊,於是我

們試用莫札特編號40的樂曲來以光速的四點七倍作傳送,傳送距離為十

四厘米,而傳送收錄後的樂曲,在播放時,有接近九成的音調都是正確

的。╝在這點上,趙和尼的意見不一,因為我們還不知道,量子世界裡

何謂訊號?

而筆者寫到這裡的時候不禁有一陣子心痛!因為有一個奇怪的風氣

或現象已發生在人類的歷史上很久了,簡單的說例如每每有些出色的科

學家研發出一些或發現了一些比較過頭的科學突破時,不但不能即時受

到世人的讚嘆及接受,反而被置諸不理、受人輕視等等。但過了一陣子

的歲月時(研發者已去世時),人們不但異口同聲的讚賞這神奇的發現

還會做一些表面看來很推崇的事情,例如我們有:伽俚略號、泰斯拉線

圈、、、等等,總之是用了已故成就者名字命名的東西,不過在他們在

生的時候是不可能有人這樣推崇他的!不知讀者們有沒有這樣的感覺呢

?筆者常自問為什麼不能在當時來一起繼續深造下去新發現的科學?如

果每個出色的科學家都能像萊特兄弟為實現人類能飛行這個夢想這般窮

追不捨的鑽研的話,人類的科學和生活的改善將比現有的先進,例如泰

斯拉技術起碼晚了八十年!希望我們的後世人不會有一個名叫"尼密之超

光速傳送器"的東西啊!

雖然尼已是科學權威,但還是初次研究量子隧道論,而且因傳送莫

札特樂曲的實驗,他幾乎被視為瘋子,反對者說那只是訊號流和載波,

尼被以波紋的寬度反駁,但得不到他人支持。無論如何,這引發了以思

想過程做的有趣模疑實驗,德文為"紀登勤實驗",是將訊息傳到宇宙遠

處的話會怎樣?比光速快的話,訊息就會回到過去。假設一個"紀登勤

實驗",如果我要將你出生的訊息用光速傳到遠方星球去,而在你二十

歲時再傳一次你已是二十歲,後來的訊息會比二十年前的先到達,如果

那障礙橫晅地球與那星球,理論上就會產生隧道作用,傳送比光速更快

的訊息。也許有一天我們思想先進的子孫,能輕易或者甚至用蟲洞回到

過去。

但仍有一個問題,霍金:╔如果人真的能穿梭時空,為何今天世上

沒有充斥著未來的人?╝而這論調大有相榷餘地,也許穿梭時空的人還

不能來到我們這年代,也可能他們來自許多年後的未來,要重返愈遠古

的過後費用便愈貴,又可能他們已在我們四周,只是看不見,又可能已

看見,但我們會以為他們是UFO或鬼魅。物理定律設下了回到過去時空

的底線,在相對論中指出縱使發明了時光機器,也不能回到機器誕生前

的時代,無論如何這點是相對論的不二規則,因為我們還沒有發明時光

機器。我們不能回到出生前的過去殺死父親,但我們的孫兒就有可能回

來殺死我?我們無法變改變歷史,但未來的人能改變他們的歷史?這不

矛盾,如果時空穿梭和物理定律都是真的,這就是一定會發生的怪事,

但整件事都只是理論,基本物理定律都是假設,唯有量子力學才能解釋

一切。如果你回到過去改變某些事物,最後必會置身於另一個平行的宇

宙,無法再返回本身來自的那重宇宙,因為你被困住了,這理論名叫"

多重宇宙理論",而這理論提供了解釋殺父謬誤的說法。

科學家大衛杜治相信時空穿梭

能夠實現,他用複習的量子學解釋為何未來的人沒有在現代出現,簡單

來說宇宙由不規則的量子組成,萬物由不規則的分量子組成,杜治所說

的不規則屬更大層面,量子力學認為世上不止一個宇宙,有些相似,有

些不一樣,有些空間和我們的空間只相差一顆光子或量子,差別較大的

不會見到我們,有些甚至沒有我的存在。這是以不規則定律所作的大膽

推論,杜治認為每顆量子代表一個空間,他說的不是夢話,他有真憑實

據,而且是物理學生必會做的著名實驗,這個實驗歷史悠久,源自1909

年。在實驗中要有光源(光束型),光源會被鏡子反射到這些縫隙裡去

,隔片上有兩縫隙,在攝影機裡可以看見那初步形成的交錯圖案,所謂

交錯圖案就是鏡頭中間一組昏暗的條紋,有兩條縫時才會出現。因為有

兩條縫時,光源就會分走兩邊,然後就像漣漪交錯,有時候漣漪會融合

,有時會互相抵消產生條紋,如果用濾鏡將光的強度減弱至只有一顆光

子能穿越縫隙,在液體氮下就會清楚看見一束光,在氮氣下光束四散,

去到濾鏡前便停止,而濾鏡隔開了肉眼所見的一切,但攝影機會拍攝到

流過去的光子。光子一顆一顆的穿過夾縫,因此在螢幕上該只見到兩條

明亮的線,而不是會交錯的條紋,但事實上並非如似,從電腦中可看到

提示中的條紋結果。做這個單光子實驗時,多顆光子所造成的圖案,在

強光下完全一樣,人們想不透箇中原因,書本中所讀到的理論是由於光

子是粒子,也是波紋,但現在才發現那是謬論。光子其實既固定同時又

四散,杜治認為單一的光子能造出條紋,是因為附近另有肉眼看不見的

光子,我們看不見的光子是另一個空間的光子,這宇宙在我們附近撞擊

原有的光子,令它們改變方向,這實驗結果是杜治所見過最古怪的。它

充份證明了世上不止有一個空間,否則不會有以上的實驗結果。

如果世上真的有其他不同空間,這對時空穿梭研究就大有幫助了。

一個人回到過去是不一定會回到自己的空間,而是到了另外的。但有很

多守舊的科學家還未太接受,就如諾維哥夫、科恩他說:╔我不敢說他

不對,但如果要打賭,我就不敢說複習的了,我喜愛簡單的單一空間宇

宙論。╝而霍金也喜歡打賭,他與科恩就宇宙的本質打賭多年,在1974

年他們打賭天鵝座X-1源是否一個黑洞,十六年後霍金終於向科恩認輸

。要實現時空旅行就需要用相對論來闡釋宇宙結構,又要用量子力學來

闡釋當中細節,但這理論互有矛盾,因此要有一套能結合兩者的新理論。

物理界的神聖使命是要研究出這樣一套新量子重力論,但量子化重

力論也和時空穿梭有關。宇宙另一端的龐大引力、黑洞中心及假設的單

一性會在人藉著蟲洞穿越時空時出現,當發現蟲洞基於相對論而有可能

被用作時光機器後,有科學家要想盡辦法來阻止,他說時空穿梭很荒謬

,有違自然定律,最後他想出一個頗牽強的理論來阻止別人製造和摧毀

任何時光機器,就是假設有兩個蟲洞口,要利用來作時空穿梭,先將一

個以盡量接近光速送上太空,回程時會轉化成時光機器,便能利用它回

到過去,但在它回程變成時光機器前,以數據來看,它會突然爆炸,那

就再沒有時光機器了!何解?似乎是因為粒子會不斷在時空來回,大大

提高了能源密度,將時空扭曲,因此無法穿梭時空。提出以上學說之人

便是科學家科恩。但科恩發現了有個問題,由於有量子化重力,能源密

度可能不足以令蟲洞爆炸,當發現時光機器快將爆炸時,就在開動它的

那一剎,新理論會取代原有的理論,因為新的量子化重力論會蓋過舊論

,那科恩想以爆炸論來阻止別人製造和摧毀任何時光機器的計劃便會失

敗。

量子化重力論會阻止蟲洞爆炸,時光機器便得以幸存。但一波未停

一波又起,科恩拿這結果告訴霍金,問他的意見,但霍守舊地不接受這

理論,他一成不變的還深信會爆炸,時光機器便不能誕生,他們爭論了

一陣子,出人意表地,一切返回零,連科恩也選擇牽強的爆炸論!但這

理論涉及不存在的量子化重力,不肯定它對時光機器或蟲洞的影響,霍

沾沾自喜自得其樂的稱之為時間防護推測論說,說能保護歷史學家的天

地。於阻止未來人回到現代而言,最具效力的是科的爆炸論,他的理論

建於推測時間防護之上,但推測的可信性比定律低,仍有很大機會是錯

誤的,這就是推測的定義,在數學上推測就是挑戰,供後人證明或推翻

。那並非定律或理論,只是推測,因為還不能肯定爆炸論是否真的可行

。一個出色的科學家是不會輕言放棄,永不言敗是他們的嗜好,牛角尖

是他們工作的地方,守舊的思想和只因已知定律規限做事,或思想的人

,輕易立論說這樣不能那樣不能,只把已知定律局限常掛在嘴邊用作逃

避的藉口與交代,把自己困在死角即是對它說你已投降你不敢挑戰它,

有時成功的科學家是能衝破并障和帶領著全人類的幸福與成功科技前進

,成功的都不會多口沬,默默耕耘,回報終會找上他。

杜治說他相信終有一天人能穿梭時空,當發現有物質能衝破物理定

律,他定會找到方法出來。科恩則說在十至十五年後就有分曉,當科學

家能完全瞭解量子化重力論時,他便會下重注與霍金打賭,只是他不會

願意接受。霍說他不會與任何人打賭時光機器的可能性,因為他說害怕

對方是來自未來的人,已心中有數。

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