相对论允许回到过去

    1895年，赫伯特·乔治·威尔斯发表了他的第一部小说《时间机器》。此时，一个历史久远的王朝即将走向衰落，那就是有着200年历史的牛顿物理时代。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了狭义相对论理论，这让艾萨克·牛顿的理论遇到了巨大的麻烦，但威尔斯却因此高兴不已。在爱因斯坦的理论中，许多在牛顿构建的世界下不可能发生的事情都有了转机，比如飞向未来的时间旅行。在牛顿的宇宙中，时间在任何一个地点，任何一个时间都是恒定的：它永远不会加速，也不会减速。但是，在爱因斯坦看来，时间是相对的。

    时间旅行不仅是可能的，它已经实实在在地发生了，尽管和威尔斯的想象可能不完全一样。根据普林斯顿大学天体物理学家J·理查德·戈特所说，迄今旅程最长的时间旅行者是谢尔盖·克里卡列夫。在职业生涯中，这位俄罗斯宇航员在太空中待了803天。就像爱因斯坦所证明的那样，相比较那些静止的物体而言，运动物体的时间流逝会更慢一些。所以当克里卡列夫在和平号空间站里以27359千米/小时的速度在轨道上运动时，时间流逝的速率与地球上的并不相同。当克里卡列夫在空间站时，他比那些地球上的伙伴们年轻了1/48秒。换而言之，他向未来穿行了1/48秒。

A.穿越未来与回到过去

    对于高速物体长距离运动而言，时间穿梭的效应更加明显。如果克里卡列夫在2015年离开地球，并以光速的99.995%在猎户座的恒星参宿四（Betelgeuse；距离地球520光年）与地球之间做一趟来回飞行。当他回到地球时，仅仅老了10岁。但非常遗憾的是，那样的话他认识的所有人都早已去世，因为地球上已经过了1000年，那时地球已是3015年了。戈特说：“我们已经知道，我们可以做到向未来飞越，这仅仅是钱和工程技术的问题。”

    尽管在实践时有很多的困难，但是向前穿越几个纳秒（甚至几个世纪）却是非常直观和容易理解的。然而，回到过去就难得多。起初，爱因斯坦的狭义相对论是禁止向过去穿越的。经过10多年的努力，在他发表广义相对论时，已经在理论中消除了对回到过去的限制。可是，如何让人回到过去依旧是一个非常棘手的问题。广义相对论方程有很多的解，不同的解将会赋予宇宙不同的性质，只有在某些特定的解中，才能创造出可以返回过去的条件。

    目前我们还不清楚，其中是不是有一个解确切地描述了我们的宇宙。而这个问题又引出了更深层次的一些研究课题：比如，到底要在基础物理领域中做出多少细微的调整，才能允许我们回到过去？即使爱因斯坦的理论没有禁止我们回到过去，但是我们的宇宙本身会不会通过某种方式阻止这样的旅行？物理学家一直思考着这些问题，并不是因为他们想象着某天时间穿越能成为现实，而是因为思考时间穿越的可能性，能让我们对自身居住的宇宙有更深入甚至意想不到的认识，比如，最初它是怎么产生的。

B.不一样的时间

    威尔斯很有先见性地认为，我们生活在一个由三维空间和一维时间交织在一起的四维时空当中。而爱因斯坦的狭义相对论在某种程度上，让威尔斯十分欣喜，因为它让时间有了延展性。当时，爱因斯坦在研究什么？首先，尽管所有的运动都是相对的，但在宇宙任何地方，在任何人看起来，物理定律必须是一样的。其次，从任何一个参考系观察，光速必须是不变的：如果每个人都看到了同样的物理定律在起作用，那么当他们测量光速时，一定会得到相同的结果。基于这两点思考，爱因斯坦获得了突破性的成功。

    为了让光速成为普适的速度限制，爱因斯坦必须抛弃两个常识性的概念：对于一段给定的长度，所有观测者得到的观测结果都一样；对于所有人来说时间流逝的快慢是一致的。他证明，当一个时钟快速地经过一个静止的人时，运动时钟要比这个人身旁的静止时钟走得慢。同时，快速运动的尺子，长度也会缩短。而对与时钟和尺子按照同一速度运动的人来说，时间的推移和尺子的长度都是正常的。

    在低速下运动时，狭义相对论的时空扭曲效应是可以忽略不计的。但是对于运动速度接近光速量级的物体而言，这种效应是真实存在的。比如，许多实验已经证实，一种叫作μ介子（muon）的不稳定粒子在以接近光速的速度运动时，衰变速率减慢了一个数量级。实际上，这种高速运动的μ介子，就是缩小版的时间旅行者（亚原子层次上的克里卡列夫），向未来跳跃了几个纳秒。

C.哥德尔的奇异宇宙

    那些快速运动的时钟、尺子和μ介子都是在向未来运动，他们是否能够回到过去？库尔特·哥德尔利用广义相对论描述了一个可以穿越到过去的宇宙，他也是第一个找出这样的宇宙的人。爱因斯坦70岁生日的时候，哥德尔将这个宇宙模型作为礼物送给了爱因斯坦，但爱因斯坦对这样的宇宙模型充满了怀疑。哥德尔所描述的宇宙具有两个独特的性质：它是旋转的，这样就能提供离心力，防止宇宙中的物质塌缩到一起，也就满足了爱因斯坦对于任何一个宇宙模型都必须是稳定的要求。但是，它同时允许向过去穿越的时间旅行，这一点让爱因斯坦深深不安。在哥德尔的宇宙模型中，一个太空旅行者出发后，能够最终到达她（他）自己过去的某一点，好比旅行者在一个巨大圆柱体的表面走完了一圈。物理学家将这个时空轨迹称之为“闭合类时曲线”。

    在时空中，一个闭合类时曲线可以是任何能够返回到自身的路径。在哥德尔的旋转宇宙中，这样的曲线就像地球表面的纬度线一样环绕整个宇宙。物理学家已经设计出了很多不同类型的闭合类时曲线，至少在理论上，所有这些曲线都是允许回到过去的。不过，沿着任何一条曲线的旅行都会显得平淡无奇，甚至让人失望，你通过飞船的舷窗看到是恒星和行星这些宇宙空间中的寻常景象。更为重要的是，在这次的旅途中，你自己钟表上的时间将会按照正常的速率向前流逝，尽管你会回到过去的一个时空位置上，但是时钟的指针却并不会因此反向转动。

    朱利安·巴伯是一位独立的理论物理学家，他住在英国牛津附近。他说：“早在1914年的时候，爱因斯坦已经意识到了闭合类时曲线可能存在。”据巴伯回忆，爱因斯坦曾说过：“我的直觉强烈地反对它。”这类曲线的存在会给因果律带来各种各样的问题。如果事情已经发生，过去如何能被改变？还有一个古老的祖父悖论：如果一个时间旅行者在他的祖父遇见他的祖母之前，就将祖父杀死，那么在这个时间旅行者身上会发生些什么，这位疯狂的旅行者还会出生吗？

    幸运的是，对于那些因果论的爱好者来说，天文学家目前没有发现任何宇宙在旋转的证据。哥德尔自己也曾苦心钻研星系列表，寻找可能证明自己理论的线索。或许哥德尔没有设计出一个真实的宇宙模型，但是他的确证明了闭合类时曲线和广义相对论的方程是完全相容的。物理定律并没有排除向过去穿越的可能。

D.这种可能性有多大？

    在过去的几十年中，宇宙学家已经利用爱因斯坦的方程，构建了许多不同的闭合类时曲线。哥德尔要求在整个宇宙有某种特性才能使其存在，但是，最近的一些热衷于时空穿梭的人发现，在宇宙局部区域弯曲时空也能制造出闭合类时曲线。

    在广义相对论中，行星、恒星、星系和其他大质量天体都会弯曲时空。弯曲的时空反过来将会引导这些大质量物体的运动。就像后来的物理学家约翰·惠勒所说的：“时空告诉物体如何运动；物体告诉时空如何弯曲。”在非常极端的情形中，时空或许能弯曲到一定的程度，从而创造出从现在回到过去的路径。

    物理学家们已经提出了一些非常奇怪的机制，试图创造这样的路径。在1991年的一篇文章中，戈特证明如何在两根宇宙弦（一种无限长，比原子尺度还要薄的结构，或许形成于宇宙早期）交汇的地方产生闭合类时曲线。1983年，加州理工学院的物理学家基普·索恩开始探讨一种叫作虫洞的闭合类时曲线的可能性（虫洞是一种连接不同时空地点的通道），这种虫洞或许允许回到过去。“在广义相对论中，如果你连接了两个不同的空间区域，那么你也连接了不同的时间区域”，肖恩·M·卡罗尔说，他是索恩在加州理工学院的同事。

    进入虫洞的入口将是球形的，它是一个进入四维通道的三维入口。像所有的闭合类时曲线一样，通过虫洞的旅行“和其他旅行没什么不同”，卡罗尔说，“并不是你在这个时刻消失，然后在另外一个时刻被重新组装起来。目前还没有任何合适的理论允许这种科幻似的时间旅行”。对于所有的旅行者而言，他补充道：“时间都是在一秒一秒地向前流逝，只是你当地时间‘向前’的速率和宇宙其他地方不那么同步而已。”

    尽管物理学家能够写出描述虫洞或者其他闭合类时曲线的方程，但所有的模型都有严重的问题。卡罗尔说：“首先，为了得到一个虫洞，你需要负能量。”一块空间中的能量会自发涨落，当它小于零时，就会出现负能量。如果没有负能量，虫洞的球形入口和四维通道就会瞬时向内塌缩。对于能被负能量一直支撑，并且保持开放状态的虫洞，卡罗尔说：“看起来非常困难，甚至是不可能的。在物理上看来，负能量也是很糟糕的一件事。”

    即使负能量能够保持虫洞敞开，在你想借此制造时间机器时，“粒子会穿过虫洞，而且每个粒子都会来回穿梭无限多次，”卡罗尔说，“这可会产生无穷大的能量。”而巨大的能量会让时空变形，使整个虫洞塌缩成黑洞（一个在时空中无限致密的点）。卡罗尔说：“我们不是100%确信这一切会发生，但是看起来非常有可能。实际上宇宙正在通过制造黑洞来阻止你制造一架时间机器。”

    和诞生自广义相对论的自然产物（黑洞）不同，虫洞和闭合类时曲线是人为构造出来，这是用来测试理论边界的一种方式。“黑洞很难避免，”卡罗尔说，“但闭合类时曲线的产生却是非常困难的。”

    即使虫洞在现实环境中行不通，但它符合广义相对论的事实也有重要的意义。“我觉得非常奇妙，即使距离将时间旅行扫地出门只有一步之遥，但我们就是没法做到，这也让我有些懊恼，”卡罗尔说。更令人恼火的是，在爱因斯坦优美的理论中，居然允许存在看起来几乎不可行的事情。但是仔细考虑这些令人心烦的可能性，物理学家或许可以对我们所居住的宇宙有更深入的理解。或许，如果我们宇宙不允许向过去穿越，那它就根本不会存在。

E.一场新的较量

    著名的物理学家理查德·费曼将我们的宇宙比喻为一场在神之间进行的国际象棋比赛，科学家们试图在不知道规则的情况下理解这场比赛。在看到神将士兵向前移动一格时，我们学到了一个规则：士兵只能向前移动一格。但是，如果这只是因为我们从未看到比赛的开始，没看到那时的兵可以向前移动两步呢？我们或许会错误地假设，兵永远只能是士兵，它们永远不会改变身份，直到我们看到兵变成为一个后。“你或许会说，那违反了规则，你不能将兵变成后！”但是，其实是可以的。只是你之前没有看到过那么极端的比赛而已。时间旅行的研究大抵也是那样，我们通过查看一些极端环境来测试物理定律。对于向过去穿越的时间旅行，逻辑上没有任何限制，只是它不符合我们已经熟悉甚至习惯的宇宙而已。将兵变成一个后，很可能仅仅是相对论规则的一部分。

    相比于物理，这些疯狂的推测和想法更贴近哲学。但是，量子力学和广义相对论（强大并且反直觉的理论）已是目前能够帮助我们弄明白这个宇宙的全部理论。“只要人们试图将量子理论和广义相对论带到这个话题中，我想说的第一件事就是，他们并不是真的知道自己在做什么，”纽约大学的科学哲学家蒂姆·莫德琳说，“这些都不是严谨的数学，因为有部分看起来像广义相对论的，另一部分又看起来像量子理论的，通过某种不够和谐的方式组合在一起。但这也是人们必须要去做的，说实在的，他们还不知道如何通过一套行之有效的办法向前推进。”

    在未来，会不会出现新的理论，完全否定向过去穿越的可能性？或者说，新的理论让我们再次惊叹原来宇宙比我们想象的更加奇怪？在爱因斯坦重新定义了时间之后，物理学开始突飞猛进。曾经，时间穿越只存在于威尔斯的小说中，现在，我们在现实生活中，至少能够实现向未来穿越。

    本文由《环球科学》杂志社供稿（撰文 蒂姆·福尔杰（Tim Folger） 翻译 苟利军）