时间旅行指南-第6部分

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　　　　——歌德（Goethe）
　　　　对于机械的时间旅行设备的渴望，带领我们进入了相对论和时空曲率的领域。在《星际迷航》中，美国海军想要达到一种“经编”速度，因为拥有能量全满的水晶球，实现光速旅行，他们希望尽可能到达更远的目的地。
　　　　然而，在乔治？卢卡斯（Gorge　Lucas）导演的《星球大战》（Star　Wars）系列中，飞船是通过快速的跳跃从一个太阳系到达另一个太阳系。他们是跳跃穿过超空间，而不是用高速奔跑。它不是比光速还快，而是另一个存在。它是通过跳跃从一个维度达到另一个维度，而且在同一时间超越了时间和空间。没有任何方法能计算出到底有多远。它能够一瞬间抵达任何地方，这也是一种时间旅行。为了征服超空间，我们渴求一种关于相对论与时空曲率的更深远的知识。
　　　　从熵到时间掌控
　　　　熵是一种科学序列，指的是体系的混乱程度，在物理科学中，熵主要是用来描述热力学、心转移性质、分子、热力发动机甚至是作为一个整体的宇宙。在社会和生活科学中，它也作为一种媒介理论运用于不同的领域。
　　　　1865年，德国物理学家鲁道夫？克劳修斯（Rudolf　Clausius）在萨迪？卡诺（Sandi　Carnot）和开尔文男爵（Lord　Kelvin）早期实验的基础上，首次提出了熵的概念。克劳修斯发现，即使在“完美的”或者是“完全可逆转的”物质系统内转换热能量也无法避免有效能量的缺失。他称这种缺失为熵的增加，并且把这种熵增加定义为在这个过程中绝对温度下热能量的转化。因为只有极少过程是真正可逆转的。真实的熵增加甚至比这个量还要大。这个原理是基本自然规律之一，被称作是热力学第二定律。
　　　　热力学第一定律是说能量是守恒的。能量在转化过程中产生的能量不会超过其本身的能量，或者说有效能量不会超过100％。第二定律更具有限制性，它是说能量在转化过程中由于废热导致不可避免的熵增加，从而使得能量少于100％。例如，大的煤电站不可避免地浪费了煤总能量的67％。其他热力发动机，比如说汽车发动引擎和人类的身体效率甚至更低，浪费了80％的可用能量。假想的永动发电机为了追求效率公然藐视自然规律。在这样一个机器中，其产出的能量来自于本身，在操作过程中有100％的有效能量都被保存了下来。因为有摩擦，所以这是不可能发生的，因为摩擦会把一部分能量转化为废热。
　　　　时间之箭
　　　　熵的另一个表现是系统的趋势是随着时间的流逝变得更加混论和无序。自然状态下，物质会变得平衡和均一而失去其有序的状态。例如，一块方糖在咖啡里溶解后不会再重新聚合成一块方糖，空气中的香水分子不会再重新聚合到香水瓶里。同样地，化学反应是自然地存在于包含了更多无序状态（熵）而不是反应物的物质当中。另一个例子是普通燃料的燃烧。这样的反应不会自发地转化自身能量，它会趋向于无序的自然状态——我们称之为“时间之箭”。
　　　　自然连续的熵增加的结果可能最终减少了宇宙中所有有效的能量。物理学家认为宇宙最终会达到一个温度的平衡，这样一来就达到了无序的巅峰，有用的能源不再维持生命或者运动。这种“热寂说”唯有在宇宙被物理定律束缚，并且作为一个整体被地球上观测到的热力学定律支配时才有可能存在。
　　　　熵的概念在现代学科的信息理论中扮演着重要角色，它暗示了交流的趋势，由于噪音或者静电变得混乱。美国数学家克劳德？E。香农（Claude　E　Shannon）在1948年第一次使用了这个专业术语。信息论的例子是复印材料。像这样的材料被不断地复印再复印，它们的信息不断地被削弱直到变得模糊不清。类似的削弱也出现在电子通信和音乐录制上。为了减少这种熵增加，信息可能用成串的数字0和1编码，这样即使是在高“噪音”的层面也能识别出来，也就是说，在一般状态下是无用的信号。
　　　　对于一些观察者来说，地球上的生命和文明的开始和发展的过程是与第二定理的熵从不会减少理论相互冲突的。其他人回应说，地球不是一个封闭的系统，因为它从太阳那里获得有效的能量，然后第二定理允许局部的熵减少，只要这些熵能和其他的的熵相互抵消。例如，尽管熵在一个运行的冰箱里减少了，但是由冰箱排除的废热在厨房里引起了整个熵增加。地球上的生命可能在宇宙中出现一个局部的熵减少，但是宇宙整个的熵总是增加的。
　　　　比利时化学家利亚？普里高津（Ilya　Prigogine）和其他人一起正致力于扩展传统热力学的研究范围使其包括生物有机体，甚至是社会系统。
　　　　时间或者说持续时间的实验在文学和哲学上获得了很大的关注。由于其主观因素，这种实验在个体中的变化可能是前后矛盾的。在科学工作中，数值度量会用来观测事件顺序。假如“现在”是一个有效的数值0，然后按照惯例把它分配给早期消极价值观和后期积极价值观。为了获得一个时间标度，一些以恒定速率重复出现的周期现象会被不断地细分和计算。
　　　　在20世纪以前，不用怀疑，一个单一的，通用的，统一的时间度量是存在的。对于两个在空间被大大地分隔开的事件而言，这种说法在定义同时性概念时是没有任何问题的——也就是说，假设，对一个观察者而言，事件同时出现，之后其他所有的观察者都会同意事件的确是同时的。但是在20世纪初期，阿尔伯特？爱因斯坦意识到，由于宇宙中光速的不变性，时间的测量取决于观察者的运动状态。
　　　　假如A和B在空间上被分隔开，对于一个观察者来说是同时出现的，而对于另个观察者而言，也就是相对于第一个观察者的运动状态，事件A可能出现在事件B之前也有可能是之后，这完全取决于这两个观察者之间相对运动状态的方向。也就是说，用现代的观点来看，时间不再是绝对的，而是取决于做时间测量的观察者的相对运动状态。根据相对论来看，时间是一个较为普通的四维时空的连续统一体中的一面。这样说来，事件是同时存在于宇宙中的。时间和空间是这个潜在的四维空间连续统一体的不同方面。通常，时间被描述为“第四维空间”。
　　　　时间标度
　　　　从远古时代起，人们利用地球自转（或者说是天空中太阳所处的明显位置）来建立一个统一的时间标度。为了指定一个日期，人们把太阳的运动当作一个时间标度，那么天数必须得从参考日期开始计算。此外，钟表常常用来衡量一天的一部分时间。
　　　　从天空中太阳的视位置衍生出来的时间被称作是视太阳时。因为地球绕太阳运行时的离心率和地球自转于轨道平面的斜角，所以视太阳时不是一个统一的时间标度。但是，这些影响又能被计算和更正后得到更加统一的时间标度，即平均太阳时。国际标准时间（UT0）即格林威治平均时。一个远恒星的视运动的观察结果可以用来得到另一个在天文学上的时间标度，也就是恒星时间。
　　　　国际标准时间的其他小规模的衍生可以追溯到其他影响，比如说，地球自转轴和地球自转的周期性波动，这些影响可以解释其他的小波动，形成更加完善的时间标度。（国际标准时间1和2，UT1和UT2）。
　　　　星历表时间是由地球绕太阳运动决定的，而非由地球自转波动造成的。天文学上的观察结果可以把星历表时间精确到大约0。05秒，平均值超过了一个九年周期。
　　　　石英晶体振荡器和原子钟的发明使得更加精准的时间测量成为可能。因此，除了天文学时间标度，还有一些其他的时间标度，比如说，原子时间（AT），基于在磁场中一定原子的微波共振。通过对电磁信号和铯原子在共振时的周期进行计算，精确度能达到几十亿分之一。
　　　　大约从1960年起，全世界大量的实验共同对照出原子时间标度，得到各种原子时间标度的加权平均，这个就是现在大众熟知的通用协调时间（UTC）。为了使通用协调时间和一天的时间长度保持一致，秒（一个闰秒）偶尔会从原子时间标度上被增加或者删除。根据国际协议，通用协调时间和领航员的时间标度（UT1）的误差在0。7秒内。
　　　　对时间的精准测量导致了秒的重新定义。在1956年之前，一秒被定义为平均太阳时的1/86400。从1956年到1967年，秒成了星历秒，被定义为1899年12月31日0时0分0秒这个回归年的1/31556925。9747。秒目前被定义为铯133原子振动9192631770次所用的时间。
　　　　相对论
　　　　阿尔伯特？爱因斯坦的相对论在20世纪的物理学和天文学领域掀起了巨大的革命。它向科学引进了“相对论”的概念——这个概念说的是在宇宙中，没有什么事物是处于绝对的运动状态的，只有相对的运动状态——取代了艾萨克？牛顿两百年来的机械理论。爱因斯坦说明了我们并不是居住在一个平坦的，欧几里得空间和统一绝对的时间里，而是居住在另外一个时空弯曲的环境中。这个理论预先在物理学中占据了重要地位，它带着潜在的利弊，宣告了原子时代的到来。这使得人们能够理解基础粒子和它们相互作用的微波世界。它也改变了人们对宇宙的看法，比如对大爆炸、中子星、黑洞、重力波这些奇异的天文现象的预测。
　　　　相对论是一个单一的，包含了所有时空、重力和机械学的理论。然而它通常被看做是两个独立的理论部分——狭义相对论和广义相对论。这样分类的一个原因是爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论，而广义相对论直到1916年才在最终版中被提出来。另一个原因是，这个理论的两个部分适用于不同的领域：狭义相对论适用于微观物理须领域，而广义相对论适用于天体物理学和宇宙学领域。
　　　　第三个原因是，物理学家到了20世纪20年代才能接受和理解狭义相对论的概念。狭义相对论很快成为了那个时候迅速发展的原子物理学以及量子力学领域中的理论家和实验家的一个工作道具。然而，广泛的接受并不是广义相对论出现的原因。这个理论似乎并没有和狭义理论有直接的联系。大部分的应用还是用于天文学的标度上。广义相对论很明显地受制于添加了极小修正后的牛顿万有引力理论。此外，其数学理论被认为是极其难以理解的。英国的天文学家爱丁顿爵士（Sir　Arthur　Eddington）是第一个能全面理解这个理论的人，曾经有人问及，是否在这个世界上只有三个人能理解广义相对论。据说他的回答是：“谁是那第三个人？”
　　　　这种情形持续了大约四十年。广义相对论不仅对物理学家，而且对于纯粹的数学家和哲学家而言都是一门可敬的学科。然而，大概在1960年，人们对广义相对论的兴趣再次复苏，使其成为物理学和天文学里的一个重要分支。这次复苏有其根源。首先，在大约1960年初，新的数学工具在广义相对论上的运用，使得计算大大得到了简化，这让物理上的重要概念能同数学上的复杂性分别开来；第二，广义相对论在发现外来天象上起着重要作用，其中包括类星体（1963），3开氏度微波背景辐射（1965），脉冲星（1967）和