[论文解读] Proposal for an experiment to demonstrate the block universe

A L McKenzie|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2016

Quantum Mechanics and Applications参考文献 11被引用 3

一句话总结

本文提出了一项可实现的实验，利用地球与火星勘测轨道器之间的无线电信号，演示块宇宙概念：由于相对论性时间膨胀和行星际距离，对一个观测者而言的未来事件，对另一个观测者而言已成过去。关键结果是，相对运动且相距遥远的观测者会将对方未来的时间间隔感知为已成过去，支持一种所有事件在时空结构中均同样真实的理论。

ABSTRACT

While the concept of the block universe has a most respectable scientific provenance, many physicists nevertheless do not accept that future events are just as embedded in spacetime as are those of the present and the past. This paper proposes an experiment to demonstrate the block universe using interplanetary distances and high relative speeds such as those accessible through the NASA Mars Reconnaissance Orbiter. The proposed experiment hinges on signals exchanged between Earth and the Orbiter which reveal a time interval of some tens of milliseconds in the future of the Earth which is already in the past of the Orbiter. Since this experiment can be performed at any time, and since the magnitude of the time interval can in principle be increased in proportion to the distances and speeds over which it is performed, an observer can always be found for whom the past is in the future of another observer. The only explanation that fits these observations is a block universe in which all events in the past, present and future of any observer are equally enfolded into spacetime.

研究动机与目标

• 提供一个可测试、实证的时空块宇宙诠释的演示，该诠释认为过去、现在和未来事件在四维流形中均真实且固定。
• 解决物理学家对块宇宙的持续怀疑，尽管其建立在相对论和量子力学的基础之上。
• 设计一项利用现有空间基础设施（特别是火星勘测轨道器）的可行实验，以观测地球与遥远航天器之间的相对论性时间差异。
• 表明将时间视为流动的感知与在大距离和高速相对速度下观测到的信号时间延迟不相容。
• 确立唯一一致的解释是块宇宙结构，其中所有事件在时空中均同样嵌入。

提出的方法

• 使用地球和火星勘测轨道器上的两台同步原子钟，测量它们之间单向信号传输时间。
• 从地球向轨道器发送高精度无线电信号并返回，以纳秒级精度测量往返和单向延迟。
• 利用地球与轨道器之间高达约3 km/s的相对速度和最大达2.5亿公里的距离，产生可测量的时间膨胀效应。
• 应用单向信号延迟的相对论公式：Δt = (v·d)/c²，其中v为相对速度，d为距离，c为光速，以预测时间差异。
• 将地球上的发送时间与轨道器上的接收时间进行比较，反之亦然，以揭示信号到达的时间在某一观测者看来是未来的，而在另一观测者看来已成过去。
• 利用观测到的时间差异推断：某一观测者眼中的未来事件，已成另一观测者眼中的过去，从而证实块宇宙结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用现有的深空通信系统，通过真实实验证明：由于相对论效应，对一个观测者而言的未来事件，对另一个观测者而言已成过去？
• RQ2 将时间视为流动序列的感知是否与在行星际距离和高速相对速度下观测到的信号时间延迟不相容？
• RQ3 地球与遥远航天器（如火星勘测轨道器）之间观测到的时间差异，是否为块宇宙模型提供了实证支持？
• RQ4 能否仅利用已知的相对论效应和当前空间技术，无需引入新物理或假设粒子，来演示块宇宙？
• RQ5 是否存在一种一致的时空结构，使得所有事件——过去、现在和未来——均同样真实且固定，正如观测到的信号时间延迟所暗示的那样？

主要发现

• 由于相对运动和距离，实验预测地球未来数十毫秒的时间间隔，已成火星勘测轨道器的过去。
• 时间差的大小与地球和轨道器之间的距离以及相对速度成线性关系，因此可被当前技术测量。
• 地球和轨道器上的观测者将为同一信号事件记录不同的时间戳，一方感知为未来事件，另一方感知为已成过去。
• 观测到的时间差异无法用任何动态或流动时间模型解释，但可自然地由四维时空结构解释，其中所有事件均固定。
• 对观测到的信号时间延迟的唯一一致解释是块宇宙结构，其中所有事件均同样真实且嵌入于时空中。
• 该实验可在任何时间重复进行，并可扩展至更大距离或更高相对速度，从而强化块宇宙结构的普遍性。