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時序保護猜想

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時序保護猜想（英語：chronology protection conjecture，又譯時序保護假說）是由物理學家史蒂芬·霍金提出的一個猜想，即標準廣義相對論之外的尚未知曉的物理定律不允許除微觀尺度以外的任何時間旅行——哪怕廣義相對論表明時間旅行在理論上是可能的（例如在可以超光速的情形下）。在數學上，廣義相對論的場方程的一些解中存在封閉類時曲線，表示時間旅行是可能的。時序保護假說與宇宙審查假說不同，宇宙審查假說中，每條封閉的類時曲線都穿過事件視界，這可能會阻止觀察者檢測到因果律的違反[1]（或稱時序違反）。[2]

緣起

在一篇1992年的論文中，霍金使用比喻的說法「時序保護機構/機制」（Chronology Protection Agency）來闡釋物理定律不允許宏觀尺度的時間旅行，從而防止出現時間悖論。他認為：

似乎有一個時序保護機制，防止封閉類時曲線的生成，從而讓歷史學家得到安全的宇宙。
It seems that there is a Chronology Protection Agency which prevents the appearance of closed timelike curves and so makes the universe safe for historians.[3]

時序保護機構的想法可能來源於許多科幻作品中時間警察等機構[4]，例如波爾·安德森的《時間巡邏》系列故事、艾薩克·阿西莫夫的小說《永恆的終結》、電視劇《異世奇人》。霍金的論文發表之後，保羅·萊文森（Paul Levinson）寫下了小說《時序保護事件》，其世界觀中，宇宙會殺害接近發明任何時間旅行方式的任何科學家。

廣義相對論和量子修正

物理學家已經提出了許多能夠形成閉合類時曲線的場景，而廣義相對論也的確允許它們某些條件下出現。廣義相對論中，一些包含閉合類時曲線的理論解的條件是宇宙無限大，這種宇宙需要的特徵似乎是有我們的宇宙不具備的，例如哥德爾度規（英語：Gödel metric）的旋轉宇宙，或稱作提普勒柱體（英語：Tipler cylinder）的無限長的旋轉圓柱。然而，一些解允許在有界的時空區域中建立封閉類時曲線，柯西視界是封閉類時曲線可以存在和不能存在時空區域之間的邊界。[5]這種有界時間旅行的最早發現的解之一是由可穿越蟲洞構建的，它的基本思想是以亞光速攜帶蟲洞的兩個「口」中的其中一個進行往返旅行，從而創造兩個口之間的時間差。

廣義相對論本身不包括量子效應，欲完全整合廣義相對論和量子力學，需要量子引力理論，但是有一種近似方法可以模擬廣義相對論彎曲時空中的量子場，稱為半經典重力。將半經典引力應用於可穿越蟲洞時間機器的初步嘗試表明，就在蟲洞開始允許閉合類時曲線出現的那一刻，量子真空漲落會將蟲洞區域的能量密度推升至無窮大。其發生的機制是，蟲洞的兩個口（稱為A和B）的移動到某個時刻時，將允許光速運動的粒子或波在某個時間T2進入B口，在較早的時間T1離開A口，然後經過普通空間返回到口B，並在和上次循環進入B口相通的時間T2再次進入B口，如此往復；這樣一來，同一個粒子或波可以通過相同的時空區域無限循環，並自我疊加。[6]計算表明，普通的輻射束因為會被蟲洞「散開」，而不會造成這種效應，從A口射出的大部分射線會散開而不會進入B口。[7]但是對真空漲落計算表明，它們會自發地重新匯聚在兩口之間的路程上，這表明疊加效應可能會變得大到足以摧毀蟲洞。[8]

關於這個結論的不確定性仍然存在，因為半經典的計算表明，疊加只會在極小的時間內將能量密度推升到無窮大，之後能量密度會下降。[9]但是對於普朗克尺度下的大能量密度或短時間段，一般認為半經典引力是不可靠的；這種尺度下需要有完整的量子引力理論才能進行準確預測。因此，目前尚無法確定量子引力效應是否會阻止能量密度增長到摧毀蟲洞的程度。[10]史蒂芬·霍金推測，不僅真空漲落的疊加會摧毀量子引力中的蟲洞，而且物理定律最終會阻止任何形式的時間機器形成；這就是時序保護猜想。[11]

對半經典引力的後續研究提供了一些時空的案例，這些案例中包含閉合類時曲線，且真空漲落導致的能量密度在柯西視界之外的時空區域內不會接近無窮大。[11]然而，1997年發現了一個普遍的證據，證明根據半經典引力，量子場的能量（更準確地說，量子應力-能量張量的期望值）在視界本身必須總是無限或不確定的。[12]這兩種情況都表明半經典方法在視界上變得不可靠，而量子引力效應在視界上會變得很重要，這符合（但不是證實）量子效應總是會干預並阻止時間機器形成的可能性。[11]

對時序保護猜想的真偽作出明確的理論判斷需要完備的量子引力理論[13]，而非半經典方法。弦理論中似乎也有一些證據支持時序保護[14][15][16][17][18]，但弦理論還不是完備的量子引力理論。如果能實驗觀察到閉合類時曲線，當然能夠證偽這一猜想，但除此之外，如果物理學家擁有了量子引力理論，且這套理論的預測力在其他領域得到了證實，這將能在很大程度上對時間旅行是可能還是不可能作出判斷。

其他允許向過去時間旅行而不出現時間悖論的理論，例如諾維科夫自洽性原則（確保各時間線保持一致），或者時間旅行者被帶到平行宇宙而原始時間線保持不變的想法，不屬於「時序保護」。

參見

參考文獻

  1. ^ Monroe, Hunter. Are Causality Violations Undesirable?. Foundations of Physics. 2008-10-29, 38 (11): 1065–1069. Bibcode:2008FoPh...38.1065M. arXiv:gr-qc/0609054 可免費查閱. doi:10.1007/s10701-008-9254-9. 
  2. ^ Visser, Matt. Traversable wormholes: the Roman ring. Physical Review D. 1997, 55 (8): 5212–5214. Bibcode:1997PhRvD..55.5212V. arXiv:gr-qc/9702043 可免費查閱. doi:10.1103/PhysRevD.55.5212. 
  3. ^ Hawking, S. W. Chronology protection conjecture. Phys. Rev. D. 1992, 46 (2): 603. Bibcode:1992PhRvD..46..603H. PMID 10014972. doi:10.1103/physrevd.46.603. 
  4. ^ Time Police : SFE : Science Fiction Encyclopedia. Sf-encyclopedia.com. December 21, 2011 [2014-08-25]. （原始內容存檔於2022-01-20）. 
  5. ^ Gott, J. Richard. Time Travel in Einstein's Universe: The Physical Possibilities of Travel Through Time. Houghton Mifflin. 2001: 117. ISBN 978-0-395-95563-5. 
  6. ^ Thorne, Kip S. Black Holes and Time Warps. W. W. Norton. 1994: 505–506. ISBN 978-0-393-31276-8. 
  7. ^ Thorne 1994, p. 507
  8. ^ Thorne 1994, p. 517
  9. ^ Everett, Allen; Roman, Thomas. Time Travel and Warp Drives. University of Chicago Press. 2012: 190. ISBN 978-0-226-22498-5. 
  10. ^ Everett and Roman 2012, p. 190
  11. ^ 11.0 11.1 11.2 Everett and Roman 2012, p. 191
  12. ^ Kay, Bernard; Radzikowski, Marek; Wald, Robert. Quantum Field Theory on Spacetimes with a Compactly Generated Cauchy Horizon. Communications in Mathematical Physics. 1997, 183 (3): 533–556. Bibcode:1997CMaPh.183..533K. CiteSeerX 10.1.1.339.6036 可免費查閱. arXiv:gr-qc/9603012v2 可免費查閱. doi:10.1007/s002200050042. 
  13. ^ Thorne 1994, p. 521
  14. ^ Semeniuk, Ivan. No going back. New Scientist. 20 September 2003 [10 January 2013]. （原始內容存檔於2014-10-23）. 
  15. ^ Herdeiro, C.A.R. Special properties of five-dimensional BPS rotating black holes. Nuclear Physics B. 2000, 582 (1–3): 363–392. Bibcode:2000NuPhB.582..363H. arXiv:hep-th/0003063 可免費查閱. doi:10.1016/S0550-3213(00)00335-7. 
  16. ^ Caldarelli, Marco; Klemm, Dietmar; Silva, Pedro. Chronology protection in anti-de Sitter. Classical and Quantum Gravity. 2005, 22 (17): 3461–3466. Bibcode:2005CQGra..22.3461C. arXiv:hep-th/0411203 可免費查閱. doi:10.1088/0264-9381/22/17/007. 
  17. ^ Caldarelli, Marco; Klemm, Dietmar; Sabra, Wafic. Causality violation and naked time machines in AdS5. Journal of High Energy Physics. 2001, 2001 (5): 014. Bibcode:2001JHEP...05..014C. arXiv:hep-th/0103133 可免費查閱. doi:10.1088/1126-6708/2001/05/014. 
  18. ^ Raeymaekers, Joris; Van den Bleeken, Dieter; Vercnocke, Bert. Relating chronology protection and unitarity through holography. Journal of High Energy Physics. 2010, 2010 (4): 21. Bibcode:2010JHEP...04..021R. arXiv:0911.3893 可免費查閱. doi:10.1007/JHEP04(2010)021. 
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