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1、时空旅行的熵与能量 摘要:在本文中我们考虑了时空旅行的可能性问题,依据能量守恒定律及热力学其次定律,通过考察能量与热力学熵的守恒性,单调性与连续性给出了时空旅行某种不行能性的说明。 关键词:时空旅行;熵;能量 1、引言 时空旅行始终是人类梦寐以求的憧憬,在很多科幻小说与科幻电影中,以时空旅行作为题材的屡见不鲜,这些艺术作品不但寄予了人类的无限渴望,也从肯定的科学角度对时空旅行做了一些探讨。 特殊是随着狭义与广义相对论的产生,一系列新理论层出不穷,例如闻名的平行宇宙理论,祖母悖论,以及星际旅行的虫洞理论等,为将来时空旅行的实现指明白一些方向。现在比较主流的观点是说,当能量足够大的时候,人类有可能
2、打开宇宙空间的虫洞,从而跨越时空的间隔,到达茫茫宇宙遥远的边际,或使时间倒流,回到很多年前的过去。但人们真能够像电影里讲的那样“回到将来”吗?在本文中从时空的熵与能量的观点给出了时空旅行某种不行能性的说明。 2、时空的熵与能量 时空的熵与能量:随意取定的时空中都有一对与时空相伴的物理量,这就是该时刻的总能量与热力学总熵。 依据能量守恒定律及热力学其次定律,可以知道: 性质:时空的熵随时间的推移是单调增加的,而总能量随时间的推移是守恒的,且两者关于时间都是连续的。 3、时空旅行的某种不行能性 在这一节中我们考虑时空旅行对时空的熵与能量的影响,并依据能量守恒定律及热力学其次定律得到一些冲突。 冲突
3、一:假如存在某时刻,人类驾驭了时空旅行的技术可以使人类从现在到达将来,当然这会消耗现实世界的能量与熵。我们记为:,其中为从现在到将来所带走的热力学熵, 为用于从现在到将来所须要并带走的能量。 对于将来世界,由于科技的发展,假设将来的人类已经可以提炼出宇宙中丰富的核能源,中子星与黑洞里的能量及神奇的暗物质能量,并可以极其高度的无序提炼,能够把原来分散在宇宙中的能量提炼为各向同性高度无序,高度浓缩的能量,即所提炼出的每单位能量内具有极高的能量与极大的热力学熵。这种提炼的过程本身就是消耗将来世界熵的过程,因此仅对于将来而言不会违反热力学其次定律。 但假如此时现实世界的人类再次通过时间机器从将来回到现
4、实世界,并带走大量的这种能源,自然同时也从将来世界带走了特别高的能量与熵,所留给将来世界的只不过是由于时空旅行所增加的熵而已。从而将来世界总的熵与能量的改变为: 其中为将来世界总熵的改变量, 为用于时空旅行所增加的熵,为回到过去带走能源的热力学熵,为将来世界的总能量的改变量,为用于时空旅行所须要的能量,为回到过带走能源的总能量。 可以看出,只要所取走的能量足够多就会导致将来世界能量的削减,从而违反了将来世界的能量守恒定律,也可以看出同时也违反了将来世界的热力学其次定律,此为时空旅行所导致的冲突之一。 冲突二:对现实世界来说,当时空旅行者从将来回到现实时,带来的总的熵与能量的改变为: 其中为现实
5、世界热力学熵的改变量,为从将来带来能源的热力学熵,其中为现实世界总能量的改变量,为用于时空旅行所须要的能量,为从将来带来能源的总能量。 可以看出,只要从将来带来的能量足够多就会导致现实世界能量的急剧增加,从而违反现实世界的能量守恒定律,这是时空旅行导致的冲突之二。 冲突三:对于现实世界的时空旅行者来说,所带走的可能不仅是能源还有先进的科学,技术和仪器,这样现实世界就有可能用很短的时间达到将来世界的科技水平,然后选择更遥远将来的时空旅行,学习更先进的科学技术和仪器,这样从时空旅行那一刻起,人类的发展速度就没有极限,现实与将来的差距被快速抹平,这明显是不行能的。这是时空旅行导致的冲突之三。 4、冲
6、突的说明与解决方法 假如我们做一个新的假设,就可以解决上节所陈述的冲突,从而使时空旅行从理论上有其可能。 假设:对经典的能量守恒定律及热力学其次定律而言,成立的范围是整个宇宙时空,而不是对于固定时刻的宇宙,即宇宙从大爆炸起先到其终结为止。 对这样的守恒律而言,某个时刻的宇宙由于时空旅行引起的熵与能量的削减必定伴随着另一时刻宇宙的熵与能量的增加,因此对于整个宇宙时空而言总的熵与能量照旧是守恒的。从而不会违反能量守恒定律及热力学其次定律。 依据热力学其次定律的统计诠释可以知道,对于时空旅行所诱发出的多数的平行宇宙,对于从将来获得科学技术及仪器而飞速发展的那一维宇宙,本身由于发展过快而将宇宙时空充分
7、压缩,使得其在历史长河中只是一个小概率发生的宇宙,而也许率发生的宇宙就是现在我们所处的平稳发展的宇宙,这样从概率意义上说明白能够普遍存在的宇宙只能是我们所处的宇宙。 这样就在上述假设下解决了时空旅行的三个冲突。 5、回到過去的时间旅行 前面主要探讨的是到将来的时间旅行,而对于回到过去的时间旅行,我们所列举的三个冲突是不存在的。 这是因为对于过去来说,科技水平的发展远远不及现实世界,因此不行能有比现实世界更发达的科技,更高无序度,更高能量的能源的存在,也就不会产生能源的转移所引起的与经典的能量守恒定律及热力学其次定律的冲突了,更不会出现科学技术与仪器的转移所引起的现实世界的科技大发展。 最终我们
8、还可以得到经典的能量守恒定律以及热力学其次定律一个时空旅行证明: 定理:因为我们所处的时代还没有时间机器,因此拥有时间机器的将来人比我们的科技发达很多,不会从来带走我们的能源与科技(即使带走,因为能源的无序度与能量都比较低也不会造成我们时代的能量与熵的损失),因此对于我们所处的时代来说,经典的能量守恒定律及热力学其次定律总是成立的,事实上这也是被多数试验证明过的。 参考文献 1 史蒂芬.霍金, 时间简史从大爆炸到黑洞, 湖南科学技术出版社,11016 第5页 共5页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页