——那或許不太容易，但是有可能是可行的
保羅·戴維斯
良忠譯自《科學(xué)美國人》2002年9月號
在時(shí)間中向未來旅行是足夠容易的。如果你接近于光速運(yùn)動(dòng)或者身處強(qiáng)大的引力場中，會(huì)感到時(shí)間流逝得比其他人更緩慢——換句話說，你進(jìn)入了他們的未來。
旅行到過去可需要相當(dāng)?shù)募记伞Ｏ鄬φ撛试S這一旅行發(fā)生在特定的時(shí)空結(jié)構(gòu)里：一個(gè)旋轉(zhuǎn)的宇宙，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的柱體，以及非常著名的蟲洞——一條貫穿空間和時(shí)間的隧道。
自從H. G. Wells于1895年撰寫了他的著名小說《時(shí)間機(jī)器》以來，時(shí)間旅行便成為一個(gè)流行的科幻小說主題。但是它真的能實(shí)現(xiàn)嗎？建造一臺(tái)把人運(yùn)送到過去或是未來的機(jī)器是可能的嗎？
數(shù)十年來，時(shí)間旅行一直處于主流科學(xué)的邊緣。然而,近幾年內(nèi),該話題在一些理論物理學(xué)家中間已成了個(gè)人的研究愛好。這一變化部分是出于娛樂消遣——想象時(shí)間旅行可是件趣事。但此項(xiàng)研究也有其嚴(yán)肅的一面。理解因果關(guān)系是嘗試建立一個(gè)統(tǒng)一的物理學(xué)理論的關(guān)鍵部分。如果無限制的時(shí)間旅行是可能的，那么在原則上，這樣一個(gè)統(tǒng)一理論的性質(zhì)可能會(huì)受到極為嚴(yán)重的影響。
我們對時(shí)間最完善的理解來自Einstein的相對論。在這些理論誕生之前，時(shí)間被廣泛地認(rèn)為是絕對的和普遍的，不管人們的物理狀態(tài)如何，時(shí)間對于每個(gè)人都一樣。在Einstein狹義相對論中，他提出測量兩個(gè)事件的時(shí)間間隔取決于觀察者如何運(yùn)動(dòng)。至關(guān)重要的是，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同的兩名觀察者對于同樣的兩個(gè)事件將會(huì)體驗(yàn)到不同的持續(xù)時(shí)間。
經(jīng)常用“雙生子佯謬”描述的那個(gè)效應(yīng)：假定Sally和Sam是雙胞胎，Sally搭乘一艘飛船以高速駛向附近的一顆恒星去旅行，然后折返飛回地球，而Sam只呆在家里。對于Sally而言，旅行大約持續(xù)了一年，但當(dāng)她返回到地球并跨出宇宙飛船時(shí)，她發(fā)現(xiàn)地球上已經(jīng)過去了10年，現(xiàn)在她的兄弟比她大九歲。盡管他們在同一天出生，可是Sally和Sam是不再具有相同的年齡。這個(gè)例子說明了一類有限的時(shí)間旅行。實(shí)際上，Sally已經(jīng)跳躍到了九年后的地球的未來。
系統(tǒng) 詳細(xì)情況 累積的時(shí)間差
航空飛行 以920千米的時(shí)速飛行八小時(shí) 10毫微秒（相對于慣性參考系）
核潛艇巡游 在300米的深處呆六個(gè)月 500毫微秒（相對于海平面）
宇宙射線中的自由中子 能量高達(dá)1018電子伏特 由15分鐘延長至30,000年
中子星 紅移度為0.2 時(shí)間膨脹了20%（相對于外太空
噴氣式飛機(jī)走慢了
被稱為時(shí)間膨脹的效應(yīng)，總會(huì)發(fā)生于兩名作相對運(yùn)動(dòng)的觀測者之間。在日常生活中我們不會(huì)察覺到奇異的時(shí)間撓曲（time wraps），因?yàn)橹挥挟?dāng)運(yùn)動(dòng)接近于光速時(shí)，這一效應(yīng)才會(huì)變得顯著。即使以飛機(jī)的速度，在一次典型的旅行中的時(shí)間膨脹總計(jì)就僅僅幾納秒——還不夠完成一次威爾斯式的冒險(xiǎn)（此處應(yīng)該指威爾斯的科幻小說《時(shí)間機(jī)器》中短暫的時(shí)間旅行——譯注），不過原子鐘有足夠的準(zhǔn)確度來記錄此項(xiàng)變化并證實(shí)時(shí)間的確被運(yùn)動(dòng)延長了。所以旅行到未來是一個(gè)已被證明的事實(shí)，即使迄今為止它只達(dá)到了如此無法令人激動(dòng)的程度。
建造蟲洞型時(shí)間機(jī)器的三個(gè)不太簡單的步驟
1.尋找或建立一個(gè)蟲洞，開辟一個(gè)隧道用來連接太空中兩個(gè)不同的區(qū)域。大型蟲洞可能天然地存在于外太空中，是宇宙大爆炸的遺留物。若事實(shí)并非如此，那我們只好湊合著使用比原子更小的蟲洞，它們或者是自然的產(chǎn)物（在我們周圍，每一瞬間都有這種小型蟲洞誕生和消亡），或者是人造產(chǎn)品（就如此處圖中所示，它們由粒子加速器生產(chǎn)出來）。這些更小的蟲洞必須被擴(kuò)大到實(shí)用的尺寸，也許要使用那些在宇宙大爆炸不久之后導(dǎo)致空間膨脹的能量場。
2.使蟲洞穩(wěn)定下來。注入利用所謂的Casimir效應(yīng)由量子產(chǎn)生的負(fù)能量，蟲洞便允許信號和物體安全地穿越它。負(fù)能量會(huì)抵制蟲洞坍縮為密度無窮大或接近無窮大的一點(diǎn)的趨勢。換句話說，它阻止了蟲洞演變成黑洞。
3.牽引蟲洞。一艘具有高度先進(jìn)技術(shù)的太空船將蟲洞的入口互相分離開。一個(gè)入口可能被安置在中子星表面，那是一顆擁有強(qiáng)大引力場、極度致密的恒星。強(qiáng)烈的引力使得時(shí)間變慢。因?yàn)樵谙x洞的另一個(gè)入口處，時(shí)間流逝得更快，結(jié)果這兩個(gè)入口不但在空間內(nèi)而且在時(shí)間上都被分離開了。
為了觀察真實(shí)而顯著的時(shí)間撓曲，一個(gè)人必須躍出通常的經(jīng)驗(yàn)領(lǐng)域。在大型加速器里,亞原子粒子可以被加速到接近光速的程度。這些粒子中的一部分，例如μ介子，擁有一臺(tái)內(nèi)置的時(shí)鐘，因?yàn)樗鼈円源_定的半衰期發(fā)生衰變；根據(jù)Einstein的理論，觀測到在加速器里高速運(yùn)動(dòng)的μ介子以慢動(dòng)作衰變。一些宇宙射線也經(jīng)歷了驚人的時(shí)間撓曲。這些粒子如此接近于光速運(yùn)動(dòng)著，以致依照它們的視角，在幾分鐘之內(nèi)便能穿過銀河系，縱然在地球的參照系中它們似乎花費(fèi)了數(shù)萬年。如果時(shí)間膨脹沒發(fā)生過，那些粒子絕不會(huì)在這里出現(xiàn)。
以高速運(yùn)動(dòng)是躍向未來的一種方式。引力則是另一種手段。在Einstein的廣義相對論中，他預(yù)言引力可以減緩時(shí)間的流逝。與在地下室相比，鐘在頂樓上要走得快一些，在更接近于地心因而也更深入于引力場的情況下，這一現(xiàn)象將愈加顯著。類似地，鐘在太空里比在地面上走得更快。盡管這一效應(yīng)微乎其微，但它已被精確的時(shí)鐘直接測得。的確，在全球定位系統(tǒng)中必須考慮到這些時(shí)間撓曲效應(yīng)。如果他們沒有考慮到這一點(diǎn)，海員、出租車司機(jī)和巡航導(dǎo)彈將會(huì)發(fā)現(xiàn)自己偏離出規(guī)定軌道有許多公里。
中子星表面的引力是如此強(qiáng)大，以致時(shí)間的流逝速度與地球上相比大約減緩了30%。在這樣一顆恒星上進(jìn)行觀察，事件看起來就像是快進(jìn)的錄像。黑洞代表了時(shí)間翹曲的極致；在該天體的表面，時(shí)間相對于地球來說是停滯的。這意味著，倘若你從附近落入黑洞，在你到達(dá)其表面所花費(fèi)的短暫的時(shí)間內(nèi)，廣闊的宇宙已經(jīng)歷了無限長的時(shí)期。因此，就黑洞外部的宇宙而言，黑洞內(nèi)部是時(shí)間終結(jié)的區(qū)域。如果一名宇航員可以急速地移動(dòng)，他能夠十分靠近黑洞并且安然無恙地返回——沒有人不覺得這是富于幻想的，它的魯莽也就別提了，至于前景嘛——他可以躍進(jìn)遙遠(yuǎn)的未來。
我的頭正在旋轉(zhuǎn)
到現(xiàn)在為止，我已經(jīng)討論了在時(shí)間中朝未來旅行的情況。那么逆行又會(huì)怎樣呢？這可要成問題得多。1948年，新澤西州普林斯頓高級研究所的Kurt Gabriel提出了愛因斯坦引力場方程的一個(gè)描述旋轉(zhuǎn)宇宙的解。在這個(gè)宇宙中，一名宇航員可以在太空中旅行來實(shí)現(xiàn)回到過去的目的。這是引力影響了光的結(jié)果。宇宙的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致光（因而也包括事物之間的因果聯(lián)系）被拽住并環(huán)繞在它的內(nèi)部，這使得一個(gè)處于封閉環(huán)內(nèi)的實(shí)物可以在空間的閉環(huán)中移動(dòng)，同時(shí)也在時(shí)間的閉環(huán)中旅行，而任何時(shí)候都不會(huì)相對鄰近的粒子超光速。Gabriel的解釋被當(dāng)作數(shù)學(xué)上的奇談而束之高閣——畢竟，沒有觀測跡象表明宇宙作為整體在旋轉(zhuǎn)。他的計(jì)算結(jié)果不過是證明了在時(shí)間中逆行并不違背相對論。的確，愛因斯坦表示他曾為自己的理論可能在某些情況下允許回到過去的想法而感到困惑。
其他一些允許回到過去的猜想也已被發(fā)現(xiàn)。例如，在1974年，Tulane大學(xué)的Frank J. Tipler計(jì)算了一個(gè)巨大的無限長旋轉(zhuǎn)柱體，在它的軸線處，宇航員們能夠接近于光速拜訪到自己的過去，即拽曳柱面附近的光線形成環(huán)狀。1991年，普林斯頓大學(xué)的J. Richard Gott預(yù)言了宇宙弦——宇宙學(xué)家設(shè)想它的結(jié)構(gòu)是在宇宙大爆炸早期產(chǎn)生的——能產(chǎn)生相似的結(jié)果。但是20世紀(jì)80年代中期所涌現(xiàn)的最逼真的時(shí)間機(jī)器劇本，是基于蟲洞的概念構(gòu)想出來的。
在科幻小說中，蟲洞有時(shí)被稱作星門；它們提供一條貫通空間中彼此相距很遠(yuǎn)的兩點(diǎn)之間的捷徑。跳過一個(gè)假想的蟲洞，你可能會(huì)在片刻之后出現(xiàn)于銀河系的另一端。蟲洞自然地符合廣義相對論，憑借引力，不僅可以使空間彎曲，而且還能讓時(shí)間發(fā)生扭曲。理論允許連接空間中的兩點(diǎn)的可選路徑和隧道這樣的東西的存在。數(shù)學(xué)家提出了多重連結(jié)的空間形式。正像穿越山底的隧道要比山表面的道路更短一樣，蟲洞可能也要比貫穿于普通空間的尋常路線來得更短。
卡爾·薩根在其1985年的小說《接觸》中，就利用了蟲洞作為一個(gè)虛構(gòu)的裝置。在薩根的提議下，Kip S. Thorne和他在加州理工學(xué)院的同事們著手去考察蟲洞是否與已知的物理學(xué)一致。他們的出發(fā)點(diǎn)是蟲洞作為一個(gè)與黑洞一樣具有可怕引力的物體。但與黑洞不同的是，后者只提供一次沒有目的地的單程旅行，而蟲洞將同時(shí)擁有一個(gè)出口和一個(gè)入口。
在環(huán)內(nèi)
由于蟲洞是可穿越的，它必定包含了Thorne所說的奇異物質(zhì)。實(shí)際上，這是某種能產(chǎn)生反重力效果來抵制一個(gè)大規(guī)模系統(tǒng)因其自身強(qiáng)大的重力而被壓入黑洞的自然趨勢的物質(zhì)。反重力，或是萬有斥力，能夠由負(fù)能量或負(fù)壓力產(chǎn)生。眾所周知，負(fù)能量狀態(tài)存在于特定的量子系統(tǒng)中，它表明Thorne的奇異物質(zhì)并不被物理學(xué)定律所禁止，盡管目前尚不清楚，是否能收集到足夠多的抗重力材料以穩(wěn)定一個(gè)蟲洞?！縖參見《負(fù)能量，蟲洞和時(shí)空彎曲行駛》，Lawrence H. Ford 和Thoms A. Roman，《科學(xué)美國人》，2000年1月號 ]。
不久Thorne和他的同事們認(rèn)識(shí)到如果穩(wěn)定的蟲洞能夠被制造出來，那么它很容易轉(zhuǎn)變?yōu)橐慌_(tái)時(shí)間機(jī)器。一名穿越蟲洞的宇航員也許不僅能出現(xiàn)在宇宙的某處，而且還會(huì)處于某一時(shí)期，也就是——在未來或者是過去。
為了使蟲洞適合于時(shí)間旅行，它其中的一個(gè)洞口應(yīng)被引到一顆中子星那里，并安置在接近中子星表面的地方。恒星的引力會(huì)減緩蟲洞洞口附近的時(shí)間流逝，這使得蟲洞兩端之間的時(shí)間差逐漸積累起來。如果兩個(gè)端口都放置在空間中合適的地方，那么時(shí)間差將保持凍結(jié)狀態(tài)。
假設(shè)這一差值是10年。一名宇航員從一個(gè)方向穿越蟲洞，他將跳到10年后的未來，反之，宇航員若是從另一方向穿越蟲洞，他將跳到10年前的過去。第二位宇航員以高速穿過平常的太空，回到出發(fā)點(diǎn)，他也許先于出發(fā)之前就回到家了。換句話說，空間中的封閉環(huán)可能會(huì)演變?yōu)闀r(shí)間中的環(huán)。一個(gè)限制是宇航員不能回到首次建立蟲洞以前的那段時(shí)期。
一項(xiàng)可怕的難題是最初創(chuàng)生的蟲洞將會(huì)阻礙蟲洞型時(shí)間機(jī)器的制造。也許空間由這么一類結(jié)構(gòu)自然地串連成一體——宇宙大爆炸的遺留物。如果是這樣的話，一個(gè)超級文明大概能使用一個(gè)蟲洞?；蛟S，蟲洞是在極小尺度上（所謂的普朗克長度，大約是原子核尺度的10-20那么小）天然生成的。原則上，這樣一個(gè)微小的蟲洞可由脈沖能量來穩(wěn)定，然后再以某種方式膨脹到可以利用的尺寸。
審查！
假如工程上的諸多難題都被克服了，時(shí)間機(jī)器的生產(chǎn)將會(huì)打開因果佯謬的潘多拉魔盒。例如，一個(gè)時(shí)間旅行者到訪過去，謀殺了還是一個(gè)年輕女孩的母親。我們?nèi)绾闻靼走@種事情意味著什么？如果這個(gè)女孩死了，她就不能成為時(shí)間旅行者的母親。但倘若這名時(shí)間旅行者從未出現(xiàn)過，他就不能回到過去并謀殺自己的母親。
著名的母親佯謬（左圖）及其解決的方法（右圖）
著名的母親佯謬（有時(shí)會(huì)用其他的家庭親屬關(guān)系來系統(tǒng)地闡述）是由于人們或物體能夠在時(shí)間中逆行并改變過去時(shí)所引發(fā)的。一個(gè)簡化的版本是以彈珠為例。一顆彈珠穿過了蟲洞型時(shí)間機(jī)器，隨后便會(huì)擊中處于更早時(shí)候的自身，從而永遠(yuǎn)阻止它進(jìn)入蟲洞。
佯謬的解決方案源于一個(gè)簡單的認(rèn)識(shí)：彈珠不能違背邏輯或違反物理學(xué)定律行事。它當(dāng)然不能以阻止自己的方式去穿越蟲洞，但沒有任何東西會(huì)制止彈珠以其他無限多的方式穿過蟲洞。
當(dāng)時(shí)間旅行者試圖改變過去，這類明顯不可能的佯謬就會(huì)出現(xiàn)。但那并不阻止某人成為過去的一部分。假定時(shí)間旅行者回到過去并從謀殺中拯救了一個(gè)年輕女孩，這個(gè)女孩長大后成了他的母親。那么因果環(huán)節(jié)現(xiàn)在便是自洽的，不再自相矛盾了。因果一致性可能強(qiáng)行限制了時(shí)間旅行者所能做的事，但這并不排除時(shí)間旅行本身。
即使時(shí)間旅行不是嚴(yán)格地自相矛盾，它依然是不可思議的。仔細(xì)設(shè)想這么一位時(shí)間旅行者，他跳躍到一年后，讀取了《科學(xué)美國人》未來版本上最新的數(shù)學(xué)定理。他記下了其中的細(xì)節(jié)，回到自己所處的時(shí)代，并把這一定理教授給一名學(xué)生，就是這名學(xué)生日后為《科學(xué)美國人》撰寫了文章。這篇文章當(dāng)然正是那位時(shí)間旅行者所讀到的。接著問題出現(xiàn)了：關(guān)于這則定理的信息來自何處？不是源于時(shí)間旅行者，因?yàn)樗皇莻€(gè)讀者，但也不是來自那名學(xué)生，后者可是從前者那里學(xué)到了定理。信息似乎無緣無故驀地就出現(xiàn)了。
時(shí)間旅行異乎尋常的推論致使一些科學(xué)家徹底拒絕這一想法。劍橋大學(xué)的史蒂芬·霍金提出一個(gè)“年代學(xué)保護(hù)猜想”，這將宣布因果環(huán)的失效。眾所周知，由于相對論容許因果環(huán)存在，年代學(xué)保護(hù)需要引入某一其他因素進(jìn)行調(diào)解，以防止旅行到過去的情況發(fā)生。這一因素可能是什么呢？一個(gè)提議是量子過程會(huì)解決這項(xiàng)難題。時(shí)間機(jī)器的存在將允許粒子循環(huán)進(jìn)入它們的過去。計(jì)算結(jié)果暗示了隨即發(fā)生的擾動(dòng)將會(huì)自行增強(qiáng)，從中造成能量逃逸的浪涌可導(dǎo)致蟲洞崩潰。
年代學(xué)保護(hù)仍不過是個(gè)猜想而已，因此時(shí)間旅行依然保留其可能性。解決事情的一個(gè)最終方案必須期待量子力學(xué)和引力的成功結(jié)合，也許要借助弦理論或它的擴(kuò)展理論，即所謂的M理論。我們甚至可以想象下一代粒子加速器將能生成比亞原子尺度的蟲洞，它們能存在足夠長的時(shí)間，使得附近的粒子能夠執(zhí)行轉(zhuǎn)瞬即逝的因果環(huán)。這要比威爾斯對于時(shí)間機(jī)器的想象深遠(yuǎn)得多，它將永遠(yuǎn)改變我們的物理實(shí)在圖景。
