星际穿越可行吗?

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所属分类:百科知识2015年

近来,科幻电影《星际穿越》的热映引起大家的关注。《星际穿越》所描绘的宇宙画面、地球末日危机以及人类探索星空的能力,有多少符合科学与现实?人类要做到星际穿越,还有多遥远?
  人类能通过虫洞穿越时空吗?
  时光之旅在理论上似乎是可行的。为了实现时光旅行,霍金首先建议人们接纳时间作为第四维的观念。他举了一个非常简单的例子:当人们驾驶汽车时,向前直行和向后倒车是第一维,向左或向右转弯是第二维,在山路上爬坡和下坡是第三维,那么时间就是第四维。对于物理学家来说,时光隧道也许就是虫洞。
  那么究竟什么是虫洞呢?打个比方,一张摊平的纸上有A、B两点,连接两点的最短距离是直线。有没有更短距离?当我们把这张纸卷曲起来,用笔把A点捅破,伸出去再把B点捅破,只要纸的卷曲度足够大,那么将A点与B点相连的距离就可以比平面上的直线距离更短,甚至短得多。究其原因,先前的最短距离是对于二维平面来说的,而后来的更短距离则利用了第三个维度。
  相对论认为,时间和空间是紧密关联的,三维的空间和一维的时间组成的统一整体就是四维时空。我们所在的四维时空充分弯曲,有可能形成存在于更高维度中的虫洞。穿越虫洞,就能以远比通常的直线运动快得多的方式从宇宙的一处到达另一处。
  那么,四维时空是否会弯曲呢?从常识看,说空间会弯曲似乎是天方夜谭。然而,广义相对论告诉我们,大质量物体会引起时空弯曲。再次拿二维平面做类比,假设世界是一张拉平的橡皮膜;把一个大质量铅球放到膜上,橡皮膜便凹陷下去,出现明显的弯曲;原本在膜上做直线运动的小质量高尔夫球到达这一区域,便会改变运动轨迹,在弯曲空间做曲线运动。
  同样道理,大质量物体也会造成四维时空的弯曲。质量越大,弯曲程度越大,相关数据可用广义相对论的引力场方程算出来。在弯曲时空中,如果存在虫洞,人类进入后就可能完成“星际穿越”。影片中几名宇航员乘飞船在虫洞中只过了一会儿,就到达了另一个星系。
  虫洞不但是星际穿越的管道,还可能是“时间隧道”。实验已证明,在强引力场或高速运动状态下,时间流逝会变慢。如果A点和B点相距20光年,而虫洞让人用1年时间就从A点到达B点,这个速度就超越了光速。比光运动得更快,使人能够“追”上已逝去的光景,重见早先的情形,也就是回到了过去。
  虫洞在自然界中是否存在,科学界尚无定论,至少目前还未发现虫洞存在的证据。通过虫洞能否回到过去,也是理论物理学界争论的一个问题。
  除了建造时间机器存在技术困难,物理学家和逻辑学家还提出了时光旅行可能带来的各种悖论,这也是有人不承认时光旅行可行性的一个理由。最著名的理论莫过于“外祖母悖论”:你回到过去,在你母亲出生前将你的外祖母杀死,那么你就不可能出生了。因此你绝不可能在时间上回到过去杀死你的外祖母。根据逻辑一致性的思想,这件事情是不可能发生的。
  冷冻休眠能实现吗?
  在茫茫宇宙中,地球也不过是一颗沙尘,而人类连微尘都算不上。在人类有限的百年时间中,如何穿越无以计数的光年,进行星际旅行呢?一个理论是冷冻休眠,就是出发时将人体冷冻至休眠状态,降低人体的代谢,从而延缓衰老,在到达目的地后,再解冻人体。在电影《星际穿越》里,漫长的太空旅程途中,宇航员可以进入休眠水床休眠,并自行设定唤醒时间。虽然理论上有可行性,但是目前从技术上来看,人类还不能做到冷冻休眠并将其唤醒。
  生命世界基本上属于一个化学世界,而化学反应的速度总是随着温度的下降而减缓,并最终停止。从理论上说,生命的进程应该也可以随着温度的下降逐渐减缓并最终定格,然后再随着温度的回升而再次复苏。但更多的动物和植物则对低温十分敏感,它们的生命在寒风中飘逝,再也没有醒来的机会。
  人类低温休眠,是指在极短的时间内,将人类冷冻到-196℃,让细胞停止活动,无限延长人类的生命周期。从理论上来讲,低温休眠可以做到,但是目前从技术上还无法实现唤醒。主要问题是当人体温度降到-5℃时,细胞内的水分就会冻结并形成冰晶。这些冰晶会穿透细胞膜,导致严重的组织损伤。
  不过未来这项技术可能会成为现实。现在世界上已经有数家机构提供人体冷冻技术,主要是为身患绝症之人提供服务,以待未来攻克难题之后再将其解冻救治。
  时间变慢能实现吗?
  中国古代神话中经常出现“天上一日,地上一年”的情节。《星际穿越》中,宇航员库珀和女科学家布兰德降落在名为米勒的星球上,星球上的1小时相当于地球上的7年。从理论上来讲,时间变慢并非不可能。根据相对论,当人以接近光速的速度移动时,时间便会变慢。这种现象已经得到验证。例如,登上月球的宇航员移动速度超过地球上的人,他们的衰老速度略慢于地球上的人,但还没有达到显而易见的程度。中山大学天文与空间科学研究院院长李淼认为,《星际穿越》里时间变慢是靠谱的。巨大的质量密度能够导致空间弯曲,也能导致时间弯曲。在黑洞附近,时间弯曲的表现就是时间流动变慢。如果移动的速度接近光速,时间变慢便成为可能。只不过,在目前的技术下,让速度接近光速仍然很难实现。
  【责任编辑】蒲 晖
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