互动科普

这绝非易事，却存在可能。 

自从H•G•Wells的著名小说《时间机器》在1895年问世以来，时间旅行就一直是一个时髦的科幻小说题材。但时间旅行真的能实现吗?是否能够制造出一台运载人们回到过去或畅游未来的机器呢?

数十年来，时间旅行始终未进入严肃科学的范畴。然而近年来，这个问题变成了理论物理学的一个小分支。物理学家研究它的动机部分是出于消遣——时间旅行是一件让人愉快的事情。但是这项研究也有严肃的一面。对因果关系的把握是构建统一的物理学理论的关键之一。如果不受限制的时间旅行真的(即使在原理上)可能存在，那么统一的物理学理论的本质可能受到重大影响。

我们对时间的最完整的了解来自于爱因斯坦的相对论。在相对论问世之前，人们通常认为时间是一个均一的、普遍的概念，对所有人都一视同仁，不论他们身处何种物理环境。爱因斯坦在狭义相对论中提出，所测出的两个事件之间的时间间隔取决于观测者的运动状态。至为关键的是，在两个不同运动速度的观测者看来，同样的两个事件相隔的时间是不同的。

人们常用“孪生子悖论”来说明这一效应。假定Sally与Sam是一对孪生子。Sally登上一艘飞船，高速飞往一颗近邻恒星，绕了一圈之后又返回地球，而Sam则一直呆在家里。Sally星际旅游的时间比如说是一年，但当她返回地球，走出飞船时，她发现地球上已经过了整整l0年。她的兄弟现在比她大了9岁。SaUy和Sam的年龄不再相同，尽管他们出生于同一年的同一天。这是时间旅行的一个例子，不过它属于比较低级的一类。事实上，Sally已经跳过了地球的未来整整9年。

提前跨入未来

这一效应称为“时间膨胀”；只要两位观测者做相对运动，就会发生这种效应。在日常生活中我们不会察觉到奇异的时间扭曲，因为这一效应只有在运动速度接近光速时才会变得显著。即使在飞机飞行这样的高速度下，通常一次出行中的时间膨胀其量级也只有几纳秒(毫微秒)，与Wells笔下的那类冒险经历相去甚远。然而，原子钟的精度却高得足以记录下这微小的时间偏移，从而证明了运动的确可以把时间拉长。因此，遨游未来已经是一个获得验证的事实，尽管迄今为止这一效应实在太微弱，一点也不能留下令人激动的印象。

为了观测到真正显著的时间扭曲，我们必须把目光投到日常经验的范围以外。在大型加速器中亚原子粒子可以被加速到接近光速的速度。一部分这类高速粒子(如μ子)本身就带有一种“时钟”，因为它们以确定的半衰期衰变。根据爱因斯坦的理论，人们观测到在加速器内高速运动的子的衰变变慢了。某些宇宙射线也经历了显著的时间扭曲效应。这些宇宙线的速度与光速极为接近，从它们自己的角度来看，它们穿越星系只消几分钟时间，但是从地球这个参照系的角度来看，它们则花了数万年。如果不存在时间膨胀的话，这些粒子永远也无法到达地球。

加速是提前跨入未来的一种手段，引力则是另一种手段。爱因斯坦的广义相对论预测引力将使时间变慢。放在顶楼的钟要比放在地下室的钟走得快一些，因为地下室距地球中心更近一些。类似的，太空中的时钟要比地球上的时钟走得快。同速度产生的时间膨胀效应一样，引力的这种效应也是极其微弱的，但研究人员使用精密的原子钟，已经直接测量到了这种效应。事实上，全球定位系统(GPS)必须考虑到这些时间扭曲效应。如果GPS不考虑这些效应的话，那么依靠此系统来确定方位的船员、的士司机和巡航导弹会发现他们可能偏离正确方向好多公里。

中子星表面的引力非常之强，因此中子星表面的时间与地球相比要慢30％左右。站在中子星上观看地球，地球上发生的事件就像是一部快放的录像片。黑洞则使时间扭曲发展到登峰造极的地步。在黑洞表面，时间相对于地球而言是停滞的。这就意味着如果你掉入了黑洞中，那么从你开始掉下到抵达黑洞表面的短短一瞬间，外面的宇宙便经历了整个未来的全部时间。因此，在外面的宇宙看来，黑洞内部的区域已经越过了时间的终点。如果一位宇航员能够在极近的地方掠过黑洞而后又毫发无损地返回——人人都知道这是一种异想天开的(更不用说是莽撞的)念头——那他就可以跃过很长的一段未来。

不可思议地回到过去

到现在为止，我讨论的都是超前的时间旅行。那么向后返回过去又如何呢?回到过去的问题要大得多。1948年，美国新泽西州普林斯高顿高级研究院的哥德尔找到了爱因斯坦引力场方程的一个解，此解描述的是一个转动着的宇宙。在这个宇宙中，宇航员可以穿越空间而到达他自己的过去。之所以会发生这种情况，其原因在于引力对光的作用。宇宙在旋转时将带着光(因而还有客体间的因果关系)随着它一起运动，使得物质客体能够在空间的闭合回路(同时也是时间的闭合回路)中运动，而且在任何时刻都不会超过该客体周围区域中的光速。哥德尔的这个解被当时的人们撇在一边不予理睬，认为它只不过是数学上的新奇玩意——毕竟天文学的观测结果表明，没有任何证据显示宇宙作为一个整体在转动。然而，哥德尔的结果可以用来证明相对论并不排除返回过去。事实上，爱因斯坦承认，在一定条件下他的理论可能允许返回过去，这一点令他颇感棘手。

研究人员陆续发现了其他一些返回过去的方案。例如，1974年，Tulane大学的J.Tipler计算出，一个大质量的无限长圆柱在绕其轴以近于光速的速度旋转时可以让宇航员回到他们自己的过去(也是通过带动光绕着圆柱运动而形成一个回路的方式)。1991年，普林斯顿大学的J.Richard Gott预言，宇宙弦-一宇宙学家认为大爆炸初期产生的一种结构-一可能得出类似的结果。但在上世纪80年代中期，最现实的一种时间机器方案悄然出笼，它依据的是所谓的"虫洞"概念。

在科幻小说中，虫洞有时被称为"恒星门"(Stargate);它们是连接空间中相距很远的两个点的一条捷径。钻过一个假想的虫洞，倾刻间你可能就到了银河系的另一端。虫洞本质上与广义相对论相吻合一一在广义相对论中引力不仅使时间扭曲，也使空间扭曲。广义相对论容许空间中的两个点可以由不同的途径连接起来，就像地面上的两处地方既可以通过道路、也可以通过隧道连接起来一样。数学家称这样的空间为多连通空间。穿过一座山的隧道可以比地面上的道路短，类似地，虫洞也可能比穿过普通空间的常规路径短。

在Carl Sagan 1985年推出的小说《接触》(Contact)中，虫洞是小说中的一种器具。加利福尼亚理工学院的S．Thorne及其合作者在Sagan的启发下，着手探讨虫洞是否与现有的物理学定律相容。他们的出发点是，虫洞具有惊人的引力，从这一点上来说，它与黑洞相似。但虫洞与黑洞的区别则在于前者既有入口，也有出口，而后者则是把人送上不归路的无底洞。

时间闭合回路

为了让人能够穿过虫洞，虫洞必须含有Thorne所谓的“奇异物质”。事实上，奇异物质就是能够产生反引力以抵消大质量系统在其巨大的自身质量作用下内爆成黑洞这一天然倾向的东西。反引力——即排斥性的引力——可以由负能量或负压力产生。研究人员已经知道负能量态存在于某些量子系统中，这说明物理学定律并没有排除Thorne的奇异物质，尽管我们还不清楚是否有足够多的反引力物质以使虫洞稳定下来

Thorne及其同事很快就意识到，如果能够制造一个稳定的虫洞，那么把它转变成一台时间机器就易如反掌了。宇航员在穿越一个虫洞后将会发现，他不仅来到了宇宙中的另外一处地方，而且还来到了另外一个时期，可能是未来的某个时期，也可能是过去的某个时期。

为了使虫洞能用于时间旅行，可以把它的两个开口之一朝向中子星，使其靠近中子星表面。中子星的巨大引力将使这个虫洞口附近的时间放慢，这样虫洞两端的时间差将逐渐增大。然后，如果把虫洞两端置于空间处方便的地方，这一时间差便将保持下来。

假定此时间差为l0年。宇航员沿某一方向穿过虫洞后便一下子来到了l0年后的未来，而他沿另一方向穿过虫洞后便一下子回到了l0年以前。在后面的这种情况下，如果他爬出虫洞后以高速穿过常规空间返回其出发点，那么他就有可能在动身之前就回家了。换言之，空间中的闭合回路也可能变成时间的闭合回路。唯一的限制是，宇航员不能返回到虫洞最初建造出来之前的某一时间上。

建造虫洞时间机器所面临的一个最大问题是首先要搞出一个虫洞来。空间中可能本来就存在着这类结构，它们是大爆炸残留下来的遗物。如果真是如此的话，那么某一超级文明就可能弄到一个虫洞。另外一条途径是利用微型虫洞。空间可能会天然地产生一些尺度极微小的虫洞(达到普朗克长度)，原则上可以用能量脉冲使这样的微型虫洞稳定下来，然后用某种方法使其放大到有用的尺度。

颠倒因果的潘多拉魔盒

假定建造时间机器的工程问题能够解决的话，那么等于打开了一个颠倒因果关系的潘多拉魔盒。例如，假定一位时间旅行者回到过去，并在他的母亲还是一个小女孩时把她谋害了。这件事如何说得通呢? 如果这女孩当时死了，那她就不可能成为时间旅行者的母亲。但如果时间旅行者从未出生，那他又何能回到过去并谋害自己的母亲呢?

当时间旅行者试图改变过去时，诸如此类的因果怪圈就会冒出来。不言而喻，改变过去是不可能的事情，但这并不排除某人会融合进过去中成为它的一部分。假定上面那位时间旅行者回到过去并救下一位小女孩使之免遭谋杀，而这位小女孩长大之后成了他的母亲。在这种情况下因果关系就能够自圆其说，不再是自相矛盾的事情。因果关系的自洽可能会限制时间旅行者回到过去后能干的事情，但它本身并没有排除时间旅行的可能。

即使时间旅行并非完全荒谬的东西，但它肯定也是相当古怪的。试想象某位时间旅行者一下子跳到了一年以后的时间上，并在今后的一期《科学》上读到了有关某一新的数学定理的文章。他记下了该定理的细节，然后回到现在的时间，并向一名学生讲授了这个定理。此学生随后写了一篇文章详述此定理并投稿给(《科学》。不是自增强的，最终产生无法控制的能量激增而使虫洞土崩瓦解，遭到灭顶之灾。

时间顺序保护还只是一个假说，因此时间旅行仍然是可能的。这个问题的最终解决，或许有待于量子力学与引力理论的成功统一(可能是通过弦理论或其推广形式——即所谓M理论——来实现这种统一)。我们甚至可以想象下一代粒子加速器将能够产生存在时间足够长的亚原子虫洞，让其附近的粒子实现短暂的因果循环。这一成果离Wells笔下的时间机器还差得远，但它将永远改变我们对物理实在性的看法。

未来派画家Bollingger所想象的虫洞发生器／曳引机。这幅画描述的是一台庞大的空间粒子加速器，它能产生、放大并移动虫洞，使之充当时间机器。

虫洞旅行虫洞旅行三部曲——绝非轻而易举

1. 找到或打造一个虫洞——连接空间中两个不同地方的一条隧道。较大的虫洞可能天然就存在于深空中，这类虫洞是大爆炸的遗物。不然我们可能就不得不弄一些亚原子虫洞来将就着用来。这类虫洞或者是天然存在的(据信我们周围到处都有亚原子虫洞不断地瞬间产生又瞬间消失)，或者是人工打造的(由本图所描述的为粒子加速器产生)。这些小虫洞必须通过某种方法一一或许是利用在大爆炸之后不久导致空间暴胀的那类能量场一一来放大到有用的尺寸。

2．使虫洞稳定下来向虫洞注入负能量一一由所谓Cagimir效应之类的量子手段产生一一将使信号或物体能够平安穿过虫洞。虫洞天然倾向于收缩成一个密度无穷大或近于无穷大的点，而负能量可以抵消这种趋势。换言之，负能量的存在可以防止虫洞变成一个黑洞。

3．拖移虫洞，用非常发达的技术建造的空间飞船可以使虫洞的两端分离开。一端可以置于中子星附近。中子星是具有极强引力场的超大密度恒星，它的强大引力将使虫洞这一端的时间的流动变慢。由于虫洞另一端的时间过得较快，因此这两端不仅在空间上被分离开，而且它们的时间也不再同步了。

改变过去

悖论的集大或者

当人或东西能够在时间上倒退并改变过去已发生的事情时，著名的“母亲悖论”便现身了(有时也用其他家庭关系来构筑这一悖论)。这个悖论的一种较简单的形式使用弹子球来说明问题。假定一颗弹子球穿过了虫洞时间机。而当它从虫洞中冒出时撞上了其以前的自我。改变了后者的轨道，从而使其自身根本就不能进入虫洞。

解决这个悖论的出发点在于意识到一个简单的事实：弹子球的运动不能违背逻辑。也不能违背物理定律。如果逻辑或物理定律禁止弹子球以某种方式穿过虫洞，弹子球就绝不可能以这类方式穿越虫洞。但它仍然可以通过其他无穷多种方式穿过虫洞。