宇宙時空穿越指南（簡體書）

本書不僅為各位讀者朋友提供了豐富的插圖和照片,還能讓您充分享受“思考宇宙”的樂趣。閱讀本書可以讓您仿佛自由地在時間和空間中旅行，對“宇宙”這個話題展開思考。我撰寫本書的初衷不僅是為大家提供知識，更多的是希望這本書能成為一本充滿樂趣的讀物。

近幾年，市面上出現了許多關於宇宙的新書或專著，其中大部分著眼於為大眾解釋“宇宙是什麼”這個問題。我本人也寫過幾本這樣的書。我注意到很多讀者不僅想了解宇宙，還想享受思考宇宙的樂趣。

因此，我在書中加入了許多插圖和照片，並附上了說明文字，為的是讓各個知識水平的讀者都能對與地球完全不同的世界展開想象與思考。

當然，為了讓大家充分享受思考宇宙的過程，我用簡單易懂的文字對必要的知識進行了說明。因此，即便您對宇宙一無所知，閱讀本書也不會有任何障礙。可能書中有些內容有點兒難懂，但我認為即便跳過這些部分的說明，只閱讀結論，也足夠有趣了。

本書的內容大致圍繞三個話題展開：

首先是“時間”針對人類能否乘坐時光機去往未來或過去這個話題，我將展開想象，根據物理學原理進行說明。

其次是“空間”這個話題讓人思考人類如何飛出地球前往宇宙、宇宙的盡頭是什麼，以及人類如何利用極為先進的宇宙飛船進行太空旅行。

最後是“穿越時空後有什麼”。從這裡開始，我將帶領大家進入推測的世界，從物理學角度來思考,在不過於荒誕無稽的前提下，為大家介紹可能出現的情況。

希望各位讀者在閱讀完本書後，能夠盡可能地對宇宙增添一分親近感。

松原隆彥2018年9月

第1章

1寫給希望回到過去的你

1.1如果我們能夠回到過去

1.2未來的記憶

1.3哆啦A夢的時光機

2前往未來

2.1去往未來的時光機在理論上是可能的

2.2相對論中的浦島效應是什麼

2.3微弱的浦島效應經常發生

2.4從天而降的繆子是時間旅行者

2.5去往遙遠宇宙的觀光旅行

2.6宇宙往返旅行計劃與1g宇宙飛船

2.71g宇宙飛船與浦島效應

2.8發射火箭一般需要大量的燃料

2.9不攜帶燃料的宇宙飛船

2.10仍有許多待攻克的技術難題

2.11以10年為單位的往返旅行

2.12以20年為單位的往返旅行一一340年後的世界

2.13以30年為單位的往返旅行一一4500年後的世界

2.14以40年為單位的往返旅行一一6萬年後的世界

3回到過去

3.1能夠回撥時間的時光機

3.2光無法筆直前進

3.3時間與空間的扭曲帶來重力

3.4黑洞周圍的極端時空扭曲現象

3.5蟲洞

3.6能否製造出人能夠通過的蟲洞

3.7從物理學角度來講，蟲洞是可能的

3.8蟲洞會成為時光機

3.9為了回到過去，將時間軸做成圓形

3.10認真研究時光機製造的研究者

3.11利用激光的時光機

4回到過去是否矛盾

4.1關於回到過去這件事的矛盾所在

4.2霍金的時序保護猜想

4.3波欽斯基悖論

4.4諾維科夫的自洽性原則

4.5臺球的運動軌跡將無法預測

4.6僅存在於蟲洞出口和入口之間的軌道

4.7將人類送到過去

4.8剽竊自己的書

4.9量子力學或許可以解決矛盾

4.10多個現實共存之時

4.11在人類的觀察下，兩個世界不會共存

4.12量子力學的多世界詮釋中的球體軌跡

4.13多世界詮釋和祖父悖論

4.14剽竊自己的書並不奇怪

4.15時光機與人類的自由意志

第2章

5寫給想盡可能去遠方的你

5.1我們離不開地球

5.2奔月旅行

5.3火星之旅

5.4金星和水星之旅

5.5木星和土星

5.6天王星、海王星以及不再是“行星”的冥王星

6去往太陽系之外

6.1飛出太陽系

6.2離我們最近的恒星

6.3宜居帶

6.4比鄰星b

6.5去往比鄰星的旅行計劃

6.6特拉比斯特-1

6.7去往特拉比斯特-1的旅行計劃

6.8開普勒-90

6.9參宿四

6.10鷹狀星云和“創生之柱”

6.11脈衝星

6.12天鵝座X-1

6.13銀河的中心 超大質量黑洞

7去往銀河系之外

7.1去往旁邊的星系

7.2 M78星云

7.3 M87星云

7.4呈現出各種形狀的星系

7.5室女座超星系團和巨引源

7.6宇宙大尺度結構

7.7可觀測的宇宙的盡頭

8宇宙究竟有多寬廣

8.1海的那邊是什麼

8.2人總是以自己所在的位置為中心進行思考

8.3宇宙到底在哪裡

8.4如果宇宙無限大

8.5“無限”比任何數字都要龐大

8.6在無限廣闊的宇宙中有什麼

8.7宇宙中存在多重現實的可能性

8.8量子力學展示的多重宇宙

8.9宇宙正在膨脹

8.10為何無論在哪裡都是相似的構造

8.11宇宙膨脹說

8.12宇宙膨脹說與多重宇宙

第3章

9穿越時空後有什麼

9.1人擇原理

9.2生命所需的碳和氧存在於宇宙的原因

9.3弱人擇原理和強人擇原理

9.4將強人擇原理變為弱人擇原理的多重宇宙

9.5多重宇宙並非唯一的答案

9.6萬物源於比特

9.7人類居住在虛擬世界？

9.8 一切只是信息處理後的結果？

9.9時空的盡頭是什麼

附錄以相對論的宇宙飛船計算往返旅行

索引

參考文獻

第1章

所謂“時空”，就是時間和空間的總和。首先，我們先思考一下“時間”的問題。在人們的固有思維中，時間與空間不同，只有從過去到未來這一個發展方向，並且速度始終保持一致。但事實果真如此嗎？難道人類就不能想辦法創造一臺可以自由穿梭時間的時光機嗎？我相信很多人都有過這樣的想法或願望。

令人驚訝的是，物理定律並沒有否定時光機的存在。那麼接下來，圍繞“去往未來和回到過去是怎麼回事”這個話題，讓我們開啟一場探索之旅吧。

1寫給希望回到過去的你

1.1如果我們能夠回到過去

如果可以的話，我想回到過去。我相信每個人都有過這樣的想法。如果當下不是迄今為止人生中最幸福的時刻，那麼你可能會有“比起現在，回到過去更好”這樣的念頭。如果能夠回到那時的自己該有多好啊。雖然我們心裡都明白，這種眷戀過去的情感其實無濟於事，但對過去的追憶總是既甜蜜又帶有一絲苦澀的。究竟人類有沒有辦法回到過去呢？

認為過去更好是人之常情，但人們總是會忘記過去不好的回憶，這也是事實。一想到過去發生的趣事、讓人開心的事，人的心情就會不由自主地愉快起來，因此人們總是會回憶那些美好的過往；討厭的事情會令人心情低落,所以人們會不自覺地想要淡忘那些不好的回憶。漸漸地,只有好的回憶在心中不斷擴張，“過去”被我們自己粉飾得無比美好。如果我們真的回到過去，或許就會發現，其實過去也沒有自己想的那麼好。

如果曾經歷一次無可挽回的甚至可以左右自己人生的巨大失敗，人們總是想要回到過去盡量彌補過錯。人生往往被一些小事左右，這些小事對我們產生的影響可好可壞。但這些事越是會造成致命影響，我們越是渴望重新來過。

時光倒流是當今人類絕對無法實現的一個願望。但是，過去是絕對回不去的嗎？

在日常生活中，人們已經完全接受了無法回到過去這件事。但仔細想想，你就會好奇我們無法回到過去的原因。

平時，如果我們走錯了路，只要原路返回，從起點重新出發就可以了。但同樣地，想回到過去的時間，重新來過，卻無論如何也做不到。人在空間中可以自由往來，但在時間中卻無法自由地前進和返回。

從物理學角度來看，時間和空間一樣，都是可以用數值來表示某個事物的一個維度。但即便如此，時間的性質和空間的性質也有著本質上的區別。時間只能從過去流向未來,方向是單一的。但從人類的角度來看，毫無疑問，時間來自未來，又仿佛洶涌的波濤一般涌向過去。那麼，從不同角度來看，似乎頗為矛盾的“時間”究竟是什麼呢？

1.2未來的記憶

如果人真的能夠回到過去，就會出現前後矛盾。如果真的有人能夠讓自己的時間倒流，會發生什麼呢？

首先，這個人要擁有未來的記憶。如果一個人回到過去，卻不記得“未來”的事情，那就不能說他回到了過去。這個人只不過是在對未來毫不知情的情況下重復了一遍人生而已。為了真正稱之為“回到過去”，就必須將“未來”的記憶一起帶回過去的某個時間點。

通常情況下，人只擁有過去的記憶，而沒有未來的記憶。但令人感到不可思議的是，穿越到過去的這個人在擁有過去記憶的同時，也擁有未來的記憶。試想一下，當一個人站在人生的岔路口時，如果朝著與“未來”記憶不同的方向前進，會出現什麼樣的結果呢？其實從這時起，這個人就已經走上與記憶中的“未來”不同的道路了。

也正是從這時起，這個人所擁有的對未來的記憶將不再準確。他記憶中的那個世界已經蕩然無存，他只能活在另一個現實中。換句話說，這個人迷失在了平行世界中。

最終，即便是穿越到了過去，這個人也無法走自己記憶中的人生道路。這是因為未來的記憶會將過去的自己變成另一個自己，那已經不是當初懷念的過去的自己，而是另一個人了。所以穿越回去後，即便時間正常前進，自己也無法成為原本的自己了。

因此，即便人類有辦法回到過去，也無法到達還沒有穿越回去時的“現在”的自己，這一趟“時光穿梭”只能是一張“單程票”。一旦不只是懷念過去的自己，而是認真思考“回到過去”這件事，就會有很多這樣令人不可思議的疑問涌現。

1.3哆啦A夢的時光機

那麼問題來了，人類能否發明一臺哆啦A夢那樣的時光機呢？這樣就不是變回過去的自己，而是現在的自己直接去往過去或未來了。這樣一來，即使過去的自己犯過再大的錯，自己也可以回去提醒自己了。現如今，時光機的發明或許只是個夢，但將來有一天它可能會成為現實，因為科學技術的發展已經將許多過去不可能的事情變成了可能。

在漫畫中，哆啦A夢出生於2112年，而人類在2008年時已經發明了時光機。但遺憾的是，在現實中，2008年時光機並沒有被發明創造出來，並且在不久的將來也不太可能被發明出來。但如果在遙遠的未來，人類擁有足夠先進的技術，是否就能夠發明時光機了呢？

哆啦A夢的時光機可以自由地穿梭於從過去到未來的任何一個時代。一般來說，提到時光機時，人們想象的都是這樣的機器。

但如果真的使用了這樣的時光機，過去就會被改變,最終的結果就是現在的世界發生改變，並且出現許多矛盾的事情。在《哆啦A夢》的故事中，作者對這個問題做了非常模棱兩可的描述。比如，野比大雄的孫子的孫子野比世修為了讓大雄的人生過得更好，從未來穿越到了過去。原本大雄在未來會與胖虎的妹妹結婚，最終卻因為世修的插手，而與靜香結了婚。

這樣一來，原本是大雄與胖虎妹妹的後代的那個人應該就不存在了。但在《哆啦A夢》的故事設定中，不知道為什麼，世修仍然作為靜香的後代而存在。這怎麼可能呢？

如果人類真的發明了能夠穿越到過去的時光機，就像我們想要回到過去的自己一樣，很多奇怪的問題就會不斷出現。

2前往未來

2.1去往未來的時光機在理論上是可能的

說到時光機，很多人可能覺得這種東西只存在於幻想小說中，但事實上並非如此。接下來，讓我們一起從物理學的角度來思考，時光機在現實中能否實現吧。物理學是探索自然界的基本規律或原理的一門學科。違背物理學規律的技術是絕對不可能實現的；反之，只要遵循物理學規律，人類技術就會不斷革新與進步，會帶來更多可能性。

從理論上來說，如果違反了物理學規律，那麼無論今後人類的科學技術多麼先進，人類都發明不出時光機。但事實上，從理論上來講，人類可以在不違背物理學規律的前提下，發明一臺去往未來的時光機。雖然將人類這種大小的東西送往遙遠的未來，在當今的技術條件下還難以實現，但將一些很小的粒子送到未來卻很容易。這類事其實在我們日常生活中時常發生，只不過我們意識不到而已。

首先，要說一件顯而易見的事，那就是我們人類哪怕什麼都不做，也能夠以秒為單位向未來勻速前進。我們可以將這個過程看作人類正坐在一臺勻速、單向行駛且不可操控的時光機上。仔細想想，這確實有些奇妙，但這就是我們最普通的日常。這可以說是最“無聊”的時光機了吧。這種時光機事實上只是自然的時間流逝，而不是我們所幻想的那種任意穿梭於過去和未來的時光機。

想要能夠真正稱得上“去往未來的時光機”，就需要在我們人類感受到的1秒時間內，周圍世界的前進速度快於1秒鐘。具體來說就是，在我們感受到的1秒鐘時間內，如果周圍的世界前進了1年，我們相當於利用時光機瞬間來到了1年後的世界。如果有這樣一臺機器，我們就可以用10秒鐘到達10年後的世界，用100秒鐘到達100年後的世界了。

這種時光機並沒有違背物理學規律，並且能夠用愛因斯坦提出的相對論來解釋。根據這個理論，從靜止物體的角度來看，運動著的物體的時間流逝會變慢。但是，在我們的日常生活中，這種時間流逝的速度差異過於微小，我們根本感受不到。當運動的速度接近光速時，時間的流逝會變得非常緩慢。這種現象在相對論中被稱為“浦島效應”A。光速約為每秒30萬千米，是乘坐現有的任何交通工具都無法體驗到的速度。

2.2相對論中的浦島效應是什麼

從理論上來說，如果某個人以無限接近光速的速度去某地旅行，然後返回，那麼這個人所度過的時間會極其緩慢。比如，快速移動的人感覺自己只度過了3年的時光，但其實周圍的世界可能已經過了好幾百年。

相對論是20世紀初愛因斯坦提出的物理學理論，實驗已經充分證實了它對現實世界的描述，並且沒有發現與之相違背的現象。浦島太郎在龍宮生活期間，如果本質上是他以極快的速度進行了一場宇宙旅行的話，那麼從物理學理論來看，這個荒誕故事是有可能發生的。

不過，要實現浦島效應，物體必須以無限接近光速的速度移動。比如，想讓時間流逝的速度放緩至原來的一半,物體的速度就必須達到光速的87%。

在浦島太郎的故事中，浦島太郎在龍宮生活了3年，但他原本居住的世界已經過去了700年，時間流逝的速度大約是在龍宮時的233倍。如果這是通過相對論中的浦島效應來實現的話，那麼在此期間，就需要浦島太郎和龍宮共同以光速的99.999%的速度在宇宙空間中移動。這也是為什麼有些說法會認為，如果浦島太郎的故事真實存在的話，浦島太郎其實是被外星人帶走，去太空旅行了。

不用說浦島太郎的時代，即便是現代社會，人類也不具備以接近光速的速度移動的技術。就算是噴氣式飛機，最多也只能達到光速的0.0001%。這種情況下雖然能夠產生極其微弱的浦島效應，但是時間差僅能達到0.00000000004%左右，這點微弱的時間差人類根本感受不到。

但是，即便浦島太郎能夠在浦島效應的理論基礎上去往未來，逝去的時間也絕不會被封存在玉手箱中。人類即使去了未來也不會一下子就變老，而是在未來的世界裡，遵循從年輕到年老的在龍宮公主乙姬給浦島太郎的

玉手箱裡，恐怕是一種在相對論體系之外的、用現代科學無法解釋的變老藥吧。

3.3微弱的浦島效應經常發生

然而，物體無論以怎樣的速度移動，都會產生微弱的浦島效應。現如今，人們坐新幹線從東京去往大阪已是稀松平常的事，這兩個城市間的距離為500千米左右。為了容易計算，彳發設以每小時250千米的速度從東京直達大阪，中間不停靠其他車站一要跳過名古屋站和京都站，可能會引起這兩個地方居民的不悅一所需時間正好是2個小時。

這樣的話，乘坐新幹線的人的時間就會比靜止不動的人慢五十億分之一秒，也就是0.2納秒A。人類雖然感受不到這微小的時間差，但確實到了未來。如果一個人從東京出發到大阪出差，當天就回來的話，這一天就比24小時短了0.4納秒。

這樣反復幾次，你就能比周圍的人更年輕一些。也就是說，想年輕1歲的話，只要這樣往返10京A次就可以了，但要做到這一點，就必須連續乘坐新幹線幾十兆b年，顯然這是不現實的。因此，為了更高效地推進時間，還需要進一步提高移動速度。然而，由於地面上存在空氣阻力，即使移動速度再快，也是有上限的。

迄今為止，人類歷史上在宇宙中高速移動時間最長的人是俄羅斯宇航員根納季•帕達爾卡。他曾在俄羅斯的和平號空間站和國際空間站長時間停留過5次，在太空中共停留了879天。在此期間，他以每小時27000千米的速度在太空中飛行，因此他迄今為止經歷的時間相較其他人短了0.02秒。也就是說，他花了879天，只前往了未來0.02秒（雖然受重力影響，地球上的時間多少會慢一些，但在根納季的這種情況下，浦島效應的影響更大）

耗費如此長的時間才向未來前進了那麼一點兒，說這就是穿越到了未來多少有點兒牽強。但這只是程度上的問題。只要人類能夠以更快的速度移動，就能夠更為省時地穿越到更久遠的未來。這個問題僅僅取決於移動的速度。所以重復一遍，穿越到未來，是可以在不違背物理學規律的前提下實現的。