时间旅行与曲速引擎:快速穿越时空的科学指南

我们撰写本书的动机是因为我们分别在各自的大学讲授有关这个专业的课程：艾伦曾在塔夫斯大学任教，托马斯则在中康涅狄格州立大学任教。我们的学生中有很多的科幻迷。他们包括在读或即将专修物理学的专业生和美术专业生，而在后者里面，还真有几位成绩斐然，属于那些让老师教起来得心应手的学生。这些课程给我们提供了一个机会，可以使我们用基本上没有超越高中代数的数学原理，来让本科生了解我们所从事的学术研究，这对于理论物理学家来说实在难得。这些年来，选修这些课程的学生们对我们表达了他们的喜爱，并给予我们精神上的鼓励，我们对此深表感激。我们的目的是为具有不同程度的数学和物理学背景、技能及兴趣的人群撰写一本书。我们发现手头上现有的读物，或是极为粗浅，或是过于煽情，所以，我们决定亲自动手。本书的难度适合于诸如热爱《星际迷航》（Star Trek）或者偶尔读一读《科学美国人》杂志而又感到这类媒体没能详尽地让他们领会问题实质的人群。我们认为本书的读者应该知晓高中代数，但又不具备高等数学的知识。而初级物理学尽管有些用处，但对于加深理解也并非必不可少。不过，读者们还是要开动脑筋，准备面对即将出现的一些概念。我们知道，不是所有读者都对同一深度的问题感兴趣。所以我们把很多（并不是全部）数学问题都放到了附录里面，以方便那些对此感兴趣的读者深度阅读。我们觉得，即使那些总想“逃避数学”的读者，也会在本书中发现很多能让他们兴趣大增的内容。所以，我们不期待所有读者都能够完全理解本书的每一字每一句，而只希望能为各位读者提供一种刺激的体验。大家可以在下面这个网站上看到本书中一些概念的QuickTime格式的交互式演示：http://press.uchicago.edu/sites/timewarp/.

科幻小说使时间旅行变得轻而易举。接到了来自阿尔法星球的噩耗来电：没问题，按下曲速引擎，你将会在几分钟之后到达那里解决问题。即将来临的灾难可以避免吗？只要回到过去，在灾难发生前阻止它就OK了。但不幸的是，我们没有生活在科幻小说的世界里，时间旅行和星际航行仅仅是奇思妙想吗？还是真的有实现的可能？ 即使是*的物理学也许都回答不了这些问题，但是却提供了一些令人蠢蠢欲动的可能。本书中，艾伦·埃弗雷特和汤姆斯·罗曼将向你解释当今科学对时间和空间的本质的认识。作者用浅显易懂的数学知识讲解爱因斯坦的狭义相对论，理解难度*不高于高中生学的代数，接着推移到去未来和回到过去的本质区别，以及回到过去和超光速旅行间的理论联系，他们发现了众多可能的时光机器和曲速引擎，包括虫孔和曲速泡泡……

艾伦·埃弗莱特(Allen Everett) 为美国塔夫斯大学的物理学荣誉教授，托马斯·罗曼（Thomas Roman）为中康涅狄格州立大学数学科学系教授。二人都曾教授与时间旅行有关的大学物理学课程。

1 绪论/ 1

2 时间、时钟和参照系/ 11

2.1 威尔斯式的时间旅行/ 12

2.2 对时间和空间的测量/ 17

3 洛伦兹变换与狭义相对论/ 23

3.1 麦克斯韦的伟大观点/ 25

3.2 迈克尔逊-莫雷实验/ 26

3.3 相对论的两个原理/ 30

3.4 洛伦兹变换/ 31

3.5 不变间距/ 33

3.6 时钟同步与同时性/ 35

3.7 光障/ 38

3.8 “零质量”粒子与E=mc2/ 39

4 光锥/ 41

4.1 与相对/ 42

4.2 光锥与因果关系：总结/ 46

5 向前的时间旅行与双生子“悖论”/ 49

5.1 时间膨胀和4只时钟的故事/ 50

5.2 双生子“悖论”/ 53

5.3 不变间距与固有时间/ 54

5.4 现实想法与实验/ 58

5.5 通过《夏季之门》后再看一下前往未来的时间旅行/ 60

6 “出发，回到过去”/ 63

6.1 超光速粒子/ 64

6.2 快子与悖论/ 65

6.3 再诠释原理/ 67

6.4 超光速参照系的一个问题/ 69

6.5 实验证据/ 71

7 时间箭头/ 77

7.1 熵、热力学第二定律以及热力学时间箭头/ 80

7.2 前因、后果及因果时间箭头/ 84

7.3 宇宙学时间箭头/ 86

8 广义相对论：弯曲的空间和翘曲的时间/ 89

8.1 引力与电磁学/ 90

8.2 质量与等效原理/ 91

8.3 重力与光/ 94

8.4 引潮力/ 95

8.5 重力与时间/ 98

8.6 广义相对论/ 100

8.7 广义相对论的三个经典验证/ 102

9 虫洞与曲速气泡/ 111

9.1 虫洞/ 112

9.2 曲速气泡/ 116

9.3 柯拉斯尼科夫管：超光速地铁/ 120

9.4 虫洞、曲速引擎及时间机器/ 122

9.5 “越发奇怪的”悖论/ 126

10 香蕉皮与平行世界/ 133

10.1 悖论的类型/ 134

10.2 信息悖论/ 134

10.3 “精灵球”与聪明的太空船/ 135

10.4 对虫洞时间机器和一致性悖论的重新考虑/ 137

10.5 香蕉皮/ 141

10.6 平行世界/ 142

10.7 “切碎捣烂”/ 151

11 “别总是负面”：奇异物质/ 155

11.1 负能量/ 156

11.2 平均能量条件/ 163

11.3 量子不等式/ 165

11.4 所有完美的物理学都用过镜子/ 168

11.5 量子利息与卡西米尔效应/ 170

11.6 负能量与经典场/ 173

12 勇敢地航向……/ 177

12.1 弯曲与平直/ 178

12.2 虫洞与量子不等式/ 179

12.3 曲速引擎与量子不等式/ 181

12.4 凡·登·布洛克的“瓶子里的飞船”/ 182

12.5 更多关于曲速引擎的问题/ 183

12.6 出路在哪？/ 184

12.7 时间机器的毁灭与时序保护/ 185

13 圆柱体与弦/ 191

13.1 卷曲的宇宙/ 192

13.2 一个“旋转”的宇宙/ 193

13.3 圆柱状时间机器/ 194

13.4 马雷特的时间机器/ 196

13.5 戈特的宇宙弦时间机器/ 203

14 尾声/ 213

附录/ 221

附录1 对伽利略速度变换的推导/ 222

附录2 对洛伦兹变换的推导/ 223

附录3 对时空间隔不变性的证明/ 228

附录4 对x'、t'轴相对于x、t轴的方向说明/ 229

附录5 光钟造成的时间膨胀/ 231

附录6 霍金定理/ 235

附录7 马雷特时间机器中的光管/ 242

参考文献/ 245

索引/ 253

科幻小说使时间旅行变得轻而易举。接到了来自阿尔法星球的噩耗来电：没问题，按下曲速引擎，你将会在几分钟之后到达那里解决问题。即将来临的灾难可以避免吗？只要回到过去，在灾难发生前阻止它就OK了。但不幸的是，我们没有生活在科幻小说的世界里，时间旅行和星际航行仅仅是奇思妙想吗？还是真的有实现的可能？ 即使是*的物理学也许都回答不了这些问题，但是却提供了一些令人蠢蠢欲动的可能。本书中，艾伦·埃弗雷特和汤姆斯·罗曼将向你解释当今科学对时间和空间的本质的认识。作者用浅显易懂的数学知识讲解爱因斯坦的狭义相对论，理解难度*不高于高中生学的代数，接着推移到去未来和回到过去的本质区别，以及回到过去和超光速旅行间的理论联系，他们发现了众多可能的时光机器和曲速引擎，包括虫孔和曲速泡泡……

艾伦·埃弗莱特(Allen Everett) 为美国塔夫斯大学的物理学荣誉教授，托马斯·罗曼（Thomas Roman）为中康涅狄格州立大学数学科学系教授。二人都曾教授与时间旅行有关的大学物理学课程。