物理学家、数学家和哲学家数十年来一直在探索前往未来或回到过去的可能性

作者：Manon Bischoff / 编辑：Daisy Yuhas

我们都有些想要挽回的往事。

可能是小事，比如考试不及格或和朋友吵架，也可能是改变世界的事件，比如2019年爆发并导致新冠大流行的疫情。

除了科幻故事之外，我们还没有遇到过时间旅行者。

但几十年来，从物理学、数学到哲学等多个科学学科一直在探索这个话题。

关于潜在时间旅行的大多数想法，其基础都来自阿尔伯特·爱因斯坦分别在1905年和1915年发表的狭义相对论和广义相对论。

凭借这些理论，他颠覆了我们对世界的理解。

根据爱因斯坦的理论，时间和空间并不是静止不变的量，而是可以根据情况拉伸或压缩。

换句话说，一根钢棒的长度并非在任何地点、任何时间都相同，一秒钟有时可以过得非常快，有时又非常慢。

后一点听起来可能很熟悉，一个小时的上课或工作时间可能度日如年，而和朋友在一起的一个小时则转瞬即逝。

但爱因斯坦关心的并不是对时间的感知，他谈论的是时间的实际流逝。

例如，根据相对论，地球表面的一秒钟与环绕地球运行的卫星上的一秒钟是不同的。

借助高速运动前往未来

爱因斯坦的狭义相对论使时间旅行成为可能，但只能前往未来。

正如这位物理学家所发现的，对于运动的观察者来说，时钟走得更慢。

因此，如果你登上宇宙飞船进行一次为期五年的太空往返旅行，而飞船以97%的光速飞行，当你返回时，地球上已经过去了整整20年。

这就是为什么NASA宇航员Scott Kelly在国际空间站上度过了11个月后，比他那留在地球上的双胞胎兄弟年轻了额外的13毫秒。

不过，不仅运动可以使时间变慢或变快，引力或加速度也可以做到这一点。

这是因为爱因斯坦认识到引力是一种几何效应：质量和能量弯曲了时空，而时空反过来又控制着大质量物体的运动方向。

你可以想象，恒星这样的重物会在时空中留下一个凹陷，这就是为什么行星等其他大质量物体会被它们吸引。

爱因斯坦的广义相对论建立了引力的几何图像：质量弯曲时空，从而产生我们所知的力。

© Mysid (CC BY-SA 3.0)

由于大质量物体极大地扭曲了时空，时间在其附近流逝得更慢。

克里斯托弗·诺兰的电影《星际穿越》探讨了这一想法。

在电影中，主角之一前往黑洞附近为人类寻找宜居行星。

当他在那片区域探索时，只过去了几个月，而他仍在地球上的女儿却已经衰老了几十年。

前往过去之旅

从技术上讲，广义相对论的方程也允许通过所谓的闭合类时曲线来实现向后的时间旅行。

沿着这些曲线行进，一个人从时空中的一个点出发，向后移动到过去，最终在空间和时间上返回其起点。

荷兰数学家Willem Jacob van Stockum在1937年首次发现了这种可能性。

为什么在广义相对论提出二十多年后才有了这一发现？爱因斯坦的理论允许无数种解，每一种都描述了一个不同的宇宙。

当爱因斯坦在1915年发表他的结果时，研究人员争相寻找尽可能接近我们宇宙的解。

但这并非易事。

计算通常极其复杂，而我们宇宙的许多性质仍然不确定。

例如，它是什么形状？质量在其中如何分布？

构成广义相对论基础的爱因斯坦场方程是微分方程。

这意味着它们描述了某些函数如何根据多个量而变化，例如空间的曲率如何随时间和空间变化。

概括来说，这些方程可以用一种看似无害的形式表达：Gμν + Λgμν = 8πG/c⁴ × Tμν。

方程的左侧处理空间的几何，其中Λ代表宇宙学常数。

右侧则包含物质部分，解释了大质量物体如何在空间中运动并反过来影响空间。

所有这些变量的背后是复杂的表达式，包括导数等微分算子。

一个方程，众多解

目标是找到某种几何形式和物质分布，使之满足上述方程。

天文学家卡尔·史瓦西在1916年是最早找到解的人之一。

他用这个解来描述静止的球形大质量物体周围的真空时空。

例如，这可以用来计算行星、恒星甚至黑洞附近的引力。

1963年，数学家Roy Kerr采用了与史瓦西相同的方法，但针对的是旋转的质量。

然而，他的解具有惊人的性质：这个解使得追踪一条沿着闭合类时曲线的路径成为可能。

这意味着，理论上，在这个系统中允许前往过去。

但这只能发生在克尔时空中一个不稳定的区域内，最微小的变化都会导致该区域坍缩。

因此，尽管克尔解很可能很好地描述了旋转黑洞外部的时空，但在其附近却不成立，而正是在那个区域，类时曲线才有可能。

在"内视界"内部，至少在理论上可以前往过去。

© Yukterez / Kerr Universe / CC BY-SA 4.0

但事实证明，克尔宇宙并不是爱因斯坦方程中唯一允许前往过去的解。

下周，我们将深入探讨狭义和广义相对论的其他解，并讨论它们如何提供了对宇宙、时间和空间的不同看法。

本文最初发表于Spektrum der Wissenschaft，经许可转载。

原文为德文，借助人工智能翻译并由编辑审校。

OlmoEarth v1.3发布：Ai2推出全球卫星嵌入模型

Ai2（艾伦人工智能研究所）今日发布了一款卫星地图嵌入模型OlmoEarth v1.3，并为全球范围提供了多种分辨率下预先计算好的年度嵌入数据，同时配套推出了基于浏览器的地图制作工具。

该模型能够将一年的卫星观测数据压缩成数值指纹，最小分辨率下每个指纹对应10米乘10米的地面区域，同时也提供64平方米和128米分辨率的版本。

这种数值指纹捕捉的模式信息，可供其他软件用于区分农田、森林、矿区等不同类型的地表覆盖。

此前，使用OlmoEarth的主要方式是通过OlmoEarth Studio进行微调，针对每项任务训练一个模型，再将其应用于卫星数据以生成地图。

这种方式需要大量图形处理单元资源，以及下载和存储影像的能力。

此次发布的OlmoEarth嵌入浏览器是一款基于浏览器的地图制作工具。

这意味着任何人都可以将OlmoEarth用于实际工作，从追踪时间变化到寻找相似地点，无需注册登录即可使用。

嵌入数据代表了模型从数百万张卫星图像中学习到的内容。

OlmoEarth会读取一年的雷达图像及相关数据，包括Sentinel-1、Sentinel-2和Landsat的数据。

Sentinel和Landsat是提供地球互补视角的卫星任务：Sentinel-1测量雷达反射信号，而Sentinel-2和Landsat则捕捉可见光和红外波长的光线。

该公司表示，与以往版本的OlmoEarth模型相比，v1.3是其训练成本最低的模型。

其训练所用计算时间仅为最新版本（v1.2）的53%，为第一版（v1）的18%，碳排放量也分别仅为两者的50%和22%。

不过v1.2仍是一款强大的微调模型，对研究机构和合作实验室而言依然具有价值。

这些模型在现实世界中的应用场景 这些卫星模型有助于压缩跨越时间和空间的大量数据，这对于理解地球的变化方式非常有用。

在秘鲁马德雷德迪奥斯地区，围绕拉潘帕的非法金矿开采活动在2017年和2018年达到顶峰，在坦博帕塔国家保护区缓冲区内清除了超过1200公顷的森林。

亚马逊保护团队的MAAP监测项目报告了这一活动。

2019年2月，秘鲁的"水银行动"关闭了大部分采矿作业。

我们如何得知这一事实？ 嵌入数据给出了明确答案。

无需进行模型训练，仅通过比较不同年份的数据像素，观察2016年至2020年间的情况，可以清晰看到南部矿区带内有明显的向东扩张趋势：显著变化区域达34平方公里。

而同样的比较放在2020年至2024年间，这一面积降至9平方公里。

关闭行动的效果显而易见。

Ai2表示，对许多团队来说，针对某个想法测试OlmoEarth通常意味着需要进行一次微调运行，这是一项耗时数小时、成本高昂的艰巨任务。

而在浏览器工具中，初步分析仅需几秒钟即可完成。

仅凭少量标签对某个区域进行分析，无需使用GPU。

当某项任务确实需要进行微调实验时，嵌入数据可以帮助判断该实验是否值得投入计算时间，以及模型存在哪些不足之处。

揽月着陆器无人飞行：1次载荷不超50kg，中国登月时间能更快吗？

好消息！中国载人航天宣布，揽月着陆器（无人飞行）载荷征集来了，这虽然说是着陆器的一次征集，但也说明了我国整个载人登月计划的执行稳定推动问题，那什么时候执行呢？ 从当下我国锁定登月目标来讲，这没有任何的变化，就是预计在2030年前完成载人登月任务，所以，这是值得期待的。

只不过，会不会提前多久，这个可能会看我国整个月球任务的进度情况，一般来说，从个人的角度来讲，应该就是在2029年左右进行，不太可能直接踩到线上来是吧，那下面我们就先看看着陆器的问题。

揽月着陆器要无人飞行：1次载荷不超50kg 对于揽月着陆器来说，其实这是我国月球计划之下最为核心的部分，因为要上月球，月球着陆器就是核心，它是带航天员，物资等上月球的关键。

按照我国针对揽月着陆器的设计来看，由登月舱和推进舱组成，主要用于环月轨道与月表间的航天员运输，可搭载2名航天员往返，并可携带月球车和科学载荷，是航天员驻月期间的月面生活中心、能源中心及数据中心。

只不过，这里大家看到2人不要误解，我国首次登月任务计划是3人前往月球，到月球表面是2人，这个要分开，这也说明了其中1人是在轨支持任务了。

所以，这一次我国发布的揽月着陆器进行无人飞行任务，那也说明了我国在正式“载人登月”前，要进行测试，确保各个航天器，火箭等系统的稳定性，这都是常态化的事情。

也就是借用这样的机会，我国推动一次无人上月球的测试，按照说明情况来看——这一次征集的载荷，单次任务搭载载荷总质量不超过50kg，总功耗一般不超过100W，这也说明了给出的空间还是较大，具体搭载什么，可能需要在后续公布了才知道。

所以，针对这一次任务来说，也是值得期待的，要进行无人飞行任务了，在无人飞行之后，必然也就会推动载人登月任务的执行，同时，要发射月面着陆器的话，我国登月火箭系统等方面的测试，也会到来，而且本身从方案来讲，我国是要利用2枚火箭来执行任务，那就是先采用两枚运载火箭分别将月面着陆器（“揽月”）和载人飞船（“梦舟”）送至地月转移轨道。

这说明了可以单独发射月面着陆器测试，但要测试整个系统的话，那肯定也是要进行梦舟飞船的发射测试才行，这还是组合体，具体的安排，就看我国后面航天中心公布了再看看。

中国2030年前登月，能更快吗？ 的确，针对我国整个月球计划来说，一直都是说在2030年前登月，但是相对来说，快也不是没有可能的，我前面也说了，一般来说，在2029年左右的概率是最大的，因为在此前，我国深空探测实验室就给出了一个时间表，那就是在2029年-2030年前登月，这说明了最快还是有可能在2029年，只不过，这一切都是取决我国的整个月球计划的执行过程，只有执行了，才是确定性的。

而从如今的揽月着陆器的征集载荷问题来讲，其实也说明了我国很可能会加速推进了，可以说针对登月任务来说，提前进行测试，这完全也是可以理解的，毕竟测试就是最为核心的。

如果测试都没有问题，那下一步就可以进行载人登月，要是出现了一部分的问题，那还是可以进行相关性的调整，也是具有充足的时间，所以，其实节点还是足够了。

而且，我国在今年也宣布了要进行长征十号甲，梦舟一号飞船的测试，当下还没有给出明确的调整时间，要是整个都测试完成了，后续只需要进行升级测试就行了，毕竟这都是我国登月之下的先锋版。

同时，载人登月火箭依照初期的节点，也是在2027年进行测试，这些都是相互相的，那么，我们就等待时间的到来吧，我国反正也是多次对外公布了，载人登月稳定推进，那说明了一切都没有问题。

如果真的存在变化，我国肯定早就做好了说明准备，不会类似于要执行人了，临时进行任务的改变，大家完全可以放心，不排除我国更快的登月，至少在任务节点之下，都在加速推动之中，这就是趋势。

载人登月难不难？ 对于载人登月来说，肯定是难得。

自从美国阿波罗计划之后，人类再也没有执行过载人登月，就算是美国重启载人登月任务——执行重返月球计划，美国也是面临各种困境，这不仅是烧钱的问题，还是技术上的问题，都是挑战性的。

当然，在载人登月的过程之中，也是推进人类走向深空的关键，所以，都进行。

那到底有多难？ 如在执行载人登月任务的过程之中，对飞船要求有极强的变轨能力，因为登月舱要进行近月制动，其变轨速度大约在八九百米每秒，且要留相当的变轨能力从环月轨道返回月地转移轨道。

登月舱着陆月面和返回环月轨道的速度增量都接近两千米每秒，要实现这个速度，飞船一半以上的重量都是推进剂，而且还需要精确的测控能力，对地面具有动态观察能力，自主调整能力等等，这些都是任务之下的难题。

所以，如果很简单的话，世界上早就有很多国家都已经执行了载人登月任务了，也就是难，如今也没有看到多少国家突破，而且在阿波罗计划之后，当下也还没有谁完成过载人登月任务，这就是问题的根本。

那么，时间虽然紧张，但是在执行载人登月任务之下，我们必须确保每一次的任务都可以完美的执行，并且确保火箭，飞船等方面全面的稳定，具有安全性等之后，才会开启登月任务，前夕的无人测试就是确保的关键。

而我国这一次发布揽月着陆器要无人飞行，其实也就是其中测试的一部分，那么，我们期待早点到来，只要无人测试稳定了，那么载人登月的任务也就来了，这就是趋势。