这是一个大家都关心的问题,先直接给结论:通常情况下时间是不能倒流回到过去的,但在特定条件下有可能的。
本文和其它类似的文章不同,就这个问题,我们从数学、物理和逻辑的角度逐级展开讨论,先讲述时间是否能倒流的理由,再证明时间是如何倒流的。
1- 如何证明时间不能倒流
我们先用两个理论,从正反两个方面来证明时间不能倒流。
1-1. 热力学增熵理论
热力学增熵理论
★表示热量传递的方向的热力学第二定律为:
ds ≥ δQ/T
ds 代表一个物理体系的熵变化,“熵”是指系统的混乱程度或无序度,熵值越大意味着系统越加混乱、无序,熵值越小就表示越整齐、有序;δQ 表示体系与热源之间交换的热量;T 是热源的温度。
不等式的物理意义为,如果能量传递是可逆的,ds=δQ/T=0;如果能量传递是不可逆的,ds>0;而对于ds<0的过程,是不存在的。
增熵理论认为时间只能单向行驶
★从上面热力学增熵定律中可轻易得出:熵ds只能增加或者不变,那么时间T不可能取负值,说明是一直在向前运行的。这也说明,我们的宇宙一直从有序向无序在演变。
★增熵定律描述了宇宙中热力传递的规律,即能量总是从高向低传递的,就像水往低处流的道理一样,那么时间之矢是一去不回头的。
1-2. 空间悖论法
我们用一个最简单的二维空间法,来反证一下时间不能倒流。
物体从位置x1运动到 x2处
★上图中物体沿着X+轴,以速率v从坐标位置x1(对应时间t1) 运动到x2(对应时间t2),位移量为S1,注意S1和v都是带方向的矢量。此时:
S1 = ∫ v dt; t∈{t1,t2}
因速率v与X+方向相同,v>0 ,且t2>t1>0,可得出位移S1>0。
物体从x2返回到x1
★上图中物体反向沿着X+轴,以速率v从坐标位置x2(对应时间t2) 运动到x1(对应时间t3),位移量为S2,注意S2和v都是带方向的矢量。此时:
S2 = ∫ v dt; t∈{t2,t3}
因速率v与X+方向相反,v<0 ,如果t3>t2>0,可得出位移S2<0,与坐标相反,符合实际运动情况。
钟表并不能准确的反映时间的内在属性
如果这个过程中时间倒流,为t3<t2<0,则得出位移S2>0,与实际运动情况恰恰相反,我们不得不重新定义X+轴的方向,至少要怀疑这个笛卡尔坐标系。如果把这个二维空间法换成三维的,也会出现这样的悖论。
★造成这个悖论的原因就是时间越走越少了,t出现反转,其结果是:物质的运动破坏了它所处二维或多维空间,空间坐标系会发生坍塌,这是对物理学基础的否定。
因此,当今经典物理学中不允许时间出现倒流。
2- 如何证明时间可以倒流
在某些情况下,在理论上时间是可以倒流的,分以下几种情况。
2-1.超光速运动
★根据狭义相对论的时间膨胀效应,物体运动速度越快,它所经历的时间会膨胀,即时间变慢。
相对论时间膨胀公式
★按照上面相对论的时间膨胀公式,物质运动速度v永远小于光速c。如果v>c时,1-v²/c²为负数,负数的平方根为虚数,即时间也变成了虚数i。
霍金的虚时间概念
★虚时间的概念是霍金提出的,是与实时间轴垂直的、不可见的虚轴。在虚时间中,时间是可能反向流动的,但是这种变化是不可见的。
2-2.超强引力场
★广义相对论引力膨胀公式表明,在质量为M半径为r的天体中,其时间T比引力势能为零(即无穷远处)的时间t会变大,即时间变慢。
相对论引力时间膨胀公式
★其中M/rc²表示质量密度,目前已知超大质量密度天体中,以黑洞为最。但是即便是超级黑洞,计算出的时间T也是趋近于零但是大于零。
超大质量密度的天体,会导致时空极度弯曲
★如果出现奇点这类未观察到的更致密的天体,M趋近无限大r趋近无限小,那么公式中会再次出现根号内为负数的情况。和上面一样,虚时间可能出现反向流动。
2-3.宇宙收缩
★根据弗里德曼方程,目前宇宙处于膨胀状态,方程详解见我的文章《从数理视角探究宇宙的几何构架和与演化历程》,本文不再重复。
弗里德曼方程
★方程左边的尺度因子a(宇宙规模随时间变化函数)的导数与尺度因子a之比,代表宇宙膨胀的动能。方程右边的8πGρ/3为星系的引力势能;其中k=2E/mR²为宇宙系统总能量,也称为宇宙的曲率;Λ为暗能量,产生斥力是宇宙膨胀的原因。
★为便于表述,我们去掉公式中的暗能量Λ项,并将方程移项,得到星系总能量E:
弗里德曼方程的能量项
★科学家预测,今后的宇宙可能会收缩,从E>Λ变为E<Λ,即引力作用战胜暗能量的排斥力导致宇宙收缩,那么那么时间可能会出现倒流的现象。
宇宙一直处于膨胀状态,时间也是沿着该方向单向运行的
这是因为宇宙大爆炸中,空间一直处于膨胀状态,时间也是从奇点向宇宙膨胀方向一直运行的,这是符合前面的热力学增熵理论的。但是收缩的宇宙能量因Λ-E<0,整体呈现出负能量状态,熵值也从无序向有序递进,增熵理论发生逆转,那么时间是完全可能出现倒流的。
2-4.量子力学中著名的双缝干涉实验
双缝干涉实验
★从S窄缝通过的电子或光子流(即多粒子),经过双缝S1和S2时,在屏幕上会产生干涉条纹。因为只有波才能发生干涉现象,而粒子波在屏幕上的显示意味着其粒子特性,因此这是证明粒子具有波粒二象性最经典的实验。
粒子也是一种波,通过窄缝会发生干涉
★多粒子双缝干涉实验的原理解释:光子是一种波,当光按照直线传播路径穿过两条缝隙时,会分裂出两条波源,这两条波源犹如水面的波纹一样,会各自振荡后发生交错干涉,最后在屏幕上形成斑马线似的干涉条纹。
通过窄缝的粒子波在屏幕上形成干涉条纹
★但是,当实验者发射单个光子,重复上面的实验。按照事先的设想:一个光子一次只能通过一个缝隙,不会产生两个波源,不会出现干涉条纹。
实验的粒子越多,干涉条纹越明显
当实验次数从28、1千、1万、一直增加到几百万次实验时,不可思议的事情发生了,屏幕上的干涉条纹再次出现了。
发射单个光子也能形成干涉条纹
★量子力学用量子叠加解释这个现象:即光子是一种概率波,其位置既在S1也在S2,还在其它任何位置,一个光子同时穿过了这两条窄缝。
难道是一个光子同时通过了两条窄缝,还是通过一条后折返回来后,再通过另一台窄缝
★当然还有一种解释:单个光子(或电子)是直线运动的,一次只能通过一条窄缝,不是S1就是S2,除非单光子能同时通过S1和S2。
那么有没有这种可能性,光子从S1通过之后,再绕回来从S2通过?于是在光子速度不变的情况下,运动路径变长了,但是实验表明时间不变,即光子不管从那条窄缝通过都同时到达屏幕。设光子从S0出发通过S1窄缝走的距离为L,时间为t1;走过S2窄缝的距离相同,时间为t2=t1+Δt,Δt为二者时间差。
如果Δt=Δtm+Δtn,Δtm和Δtn分别表示光子从S1返回时间和通过S2的时间。由于实验观测到的t1=t2,则:
t1=t1+Δtm+Δtn
Δtm+Δtn=0
因光子通过S2的时间为正,即Δtn>0,那么Δtm<0。即光子从S1返回并到达S2这段时间,是负数,出现了时间反转。说明在量子世界中,时间倒流是可能的。
3-时间倒流的例证
以下内容来自多个网络,请读者自辨真伪。
3-1.证明时间倒流的科学实验
在时间反转的科学研究领域,确实有一些相关实验。
大型量子计算机
★2019年俄罗斯物理学家完成了一项被认为是让时间倒流的实验,实验中使用是一台量子计算机进行操作,创造出必要的热力混乱后再进行特定操作,结果量子计算机热力没有变得更混乱,反倒回到了原始的状态,这个结果与热力学增熵原理恰恰相反。
★英国科学家也进行过相关实验,Rayleigh勋爵发现了一种奇怪的现象,用某种方式能使光子以快于光速的速度运动,时间发生了逆转。尽管实验数据表明只有短短的百亿分之一秒,但这种不可思议的现象表明,光波是可能回到过去的。
3-2.生活中的时间倒流
生活中时间能反转吗?
★1994年一架意大利客机在非洲海岸上空飞行时,突然从雷达屏幕上消失,随后又在原地重新出现。机上人员对此一无所知,但所有乘客的手表都慢了20分钟,这种现象被解释为时间在那一刻静止或倒流。
古代的太阳神庙出土了现代银币
★另一个例子是现代银币进入古代庙宇,1994年考古学家在埃及发现了一座4000年前的太阳神庙,庙内藏有一枚现代银币,这枚银币尚未发行,准备在1997年才进入市场流通,难道银币穿越了时间?
船长是杰克吗?一直在等露西吗?
★“泰坦尼克”号船长再现也是一个例子。1991年,欧洲科学海洋考察船在冰岛附近发现一座冰山上坐着一位60多岁的男子,穿着本世纪初的船长制服。后来证实,这位男子可能是“泰坦尼克”号的幸存者,莫非这是一位时间穿越者吗?
3-3.时间倒流的可信度
★上述科学实验还具备一定可信度,毕竟有实验结果在那里。但是实验误差,实验过程的可重复性,值得怀疑。
★但现实生活中的“奇迹”,要么是谣言和恶作剧,要么是天方夜谭。
有些故事传说,就像童话一样,听听就好了
★有没有这种可能,在宏观世界和微观世界中时间倒流只存在于理论中,实际上是不可能发生或被观测到的?那我们接下来做进一步的思考。
4-对时间倒流的思考
4-1.上述理论和事实的分析
★按照前面论述,小到量子大到宇宙,在理论上都存在时间逆流反转的可能,并且还在实验室和现实生活中“观察”到了。
★像牛顿力学和热力学这样的经典物理是不允许时间倒流的,适用范围为低速运动和低引力的普遍情况。
神秘的量子纠缠现象,被认为是超光速进行的
★但是兼容了相对论效应的部分量子力学和宇宙学是允许时间倒流的,例如超光速现象(比如量子纠缠、穿越虫洞)、超强引力状态(比如黑洞吞噬物质)、宇宙收缩(宇宙学家的预测)等特殊情况。
平行宇宙之间通过虫洞连接
★这似乎并不矛盾,毕竟我们还没有发现诸如奇点这样超致密的天体,也没有发现超光速运动,更没有未来宇宙会收缩的证据,但是理论上不得不考虑上述可能性。
那么时间倒流真的只能存在于理论中吗?
4-2.时间倒流的逻辑悖论
★我们假设宏观上时间是可以倒流的,就像影视中一样,人回到了六十年前,见到了他的祖父,此时祖父还是个小孩,但是这个人杀死了他的祖父。
我们能穿越时间,回到过去吗?
★任何人都能看出逻辑已经混乱了,他的祖父还是小孩就去世了,怎么会有他?事件的因果关系被破坏了。
穿越时间回到过去,事件的逻辑会混乱吗?
★为了解决上述逻辑坍塌问题,部分科学家认为时间倒流后,事件的参与者不能影响时间进程,只是参与而已,一旦破坏了事件的因果关系,会造成时空坍塌。
比如你穿越时空回到了秦朝,你不能杀死嬴政改变历史,只能做一个历史的旁观者,而不能改变历史的进程。
5-时间的本质
★时间是物质运动的根本属性,是描述物质运动的事件发展的基本参数。
时间不一定是永恒的
★物质的温度只要是高于绝对零度(-273℃,即宇宙中最低温度,实际上是不可能达到的),运动就会一直存在,时间就不会停止。
★如果说时间是可以倒流的,那么我们为什么在微观和宏观世界中,观察不到这种现象,这是因为我们所处的空间维度还不够。
多维时空意味着更高更多的观察角度
★我们所处的时空是四维的,其中第四维度的时间是不可见的。而且宇宙中存在着更高的维度,按照超弦理论,时空存在十一个维度,但是我们只能看见三个,其余维度都被折叠了。
美女只能看到正方形,我们却看到了长方体
★举个例子,上图中观察者从她的角度只能观察到二维的正方形,但是从我们的角度就能观察到三维的图形。
希尔伯特空间
★四维、五维…N维的希尔伯特空间,因为这些维度隐藏在三个维度内,所以我们无法观测到这些高维度发生的事件,包括时间。
平行宇宙存在着更高的维度
★于是我们得出结论,在更高的维度中我们可以观察到时间倒流。
高维度在哪里?我们认为是在虫洞的另一端——平行宇宙中:从另外的宇宙可以看见我们这个宇宙看不见的维度和事件,能看见时间倒流。
通过本文全部论述,我们得出以下结论:
我们生活的空间中,时间倒流是完全可能存在的,只是我们没有观察入口,或者说目前没有找到合适的观测角度来观察到时间倒流现象。
正向和反向均可流动,是时间内在的属性
尽管经典理论和当前的实验观测并不支持时间穿越,但是今后的成熟理论和实验科学是完全有可能证明时间能够倒流的。任何理论都是从假想、推测、实验、否定、再假设、证明……这样反复循环后,才逐渐成功的。
淘尽黄沙始见金,假想和证伪不是最终目的,却是我们接近真相的必经之路,也是人类探索精神的体现。