如何实现时间旅行

参考消息网6月7日报道据《科学美国人》月刊网站4月26日报道，在电影中，时间旅行者通常会进入机器内部，然后嗖的一声消失。他们之后出现在一群牛仔、骑士或恐龙中间。从根本上说，这些影片所展示的是时间传送。

时间跳跃理论可行

科学家们并不认为这一概念在现实世界中有可能实现，但他们也没有把时间旅行斥为天方夜谭。事实上，时间跳跃或许符合物理学定律，但魔鬼存在于细节中。

通过时间旅行前往不久的未来很容易：你现在正前往未来，而且物理学家说速度可以改变。根据爱因斯坦的狭义相对论，时间的流动取决于你移动的速度。行进越快，时间越慢。而根据爱因斯坦的广义相对论，引力也会影响时钟：附近引力越强，时间越慢。

德雷克塞尔大学的宇宙学家戴夫·戈德伯格说：“靠近巨大的天体——如靠近中子星表面，甚至地球表面也可以，只不过影响极其微弱——会使时间的运行速度比远离巨大天体时慢。”

戈德伯格说，如果一个人要在黑洞的边缘徘徊(那里的引力非常大)，那么当地球上的人过了1000年时，他可能只过了几个小时。如果黑洞附近的人回到这颗星球，他们实际上就是旅行到了未来。戈德伯格说：“这种效应是真实的，完全没有争议。”

不过，时间倒退会很棘手(比在黑洞中被撕成碎片更棘手)。科学家们想出一些可行的办法，而且他们几十年前就意识到广义相对论中的时间旅行悖论。北欧理论物理研究所的物理学家法比奥·科斯塔指出，早期提出的一种时间旅行解决方案始于20世纪20年代写下的一种场景。这个想法涉及巨大的长圆柱体，它们旋转起来就像稻草在手掌间快速旋转一样，并且能扭曲时空。直到20世纪70年代，人们才意识到这个物体可以充当时间机器，使人能够穿越到过去。那是在科学家发现一种被称为“闭合类时曲线”的现象的几十年后。

科斯塔说：“闭合类时曲线描述了假想的观察者的轨迹。这种观察者从自己的视角看，虽然总是沿着时间线前进，但在某个时刻却处于旅行开始的时间和地点，从而形成一个回路。这在太空中的某个区域是有可能的，因为这个区域在引力的作用下会自我循环。”

他还说：“爱因斯坦读过关于闭合类时曲线的内容，并对这种观点感到非常不安。”尽管如此，这一现象仍推动了后来的研究。

时间机器不易制造

在20世纪80年代，科学界开始认真对待时间旅行问题。例如，1990年俄罗斯物理学家伊戈尔·诺维科夫和美国物理学家基普·索恩合作撰写了一篇关于闭合类时曲线的研究论文。科斯塔说：“他们不仅开始研究如何制造时间机器，还开始研究时间机器如何运转。”

但同样重要的是，他们研究了时间旅行存在的问题。例如，如果你把一个台球扔进时间机器，它回到过去，然后与过去的自己相撞，可能导致现在的这个台球永远无法进入时间机器，你如何解释？科斯塔说：“这看起来像是一个悖论。”

他说，上世纪90年代以来，人们对这个话题的兴趣时断时续，但至今没有大的突破。今天这个领域并不十分活跃，部分原因是人们提出的每一个时间机器模型都有问题。罗得岛大学的高拉夫·康纳说：“每一个模型都有一些吸引人的特点，也可能有一些潜力，但当你开始一点点展开细节时，终究会遇到某种障碍。”

例如，大多数时间旅行模型都需要负质量——因此也需要负能量，因为正如爱因斯坦在发现能量等于质量乘以光速的平方时所揭示的，质量和能量是一回事。至少在理论上，就像电荷可以是正、也可以是负一样，质量也可以——尽管从来没有人发现过负质量的例子。时间旅行为何依赖这样奇异的物质？在许多情况下，需要负质量来打开一个虫洞——这是广义相对论预测的时空隧道，能将宇宙中的一个点与另一个点连接起来。

如果没有负质量，重力将导致这条隧道坍塌。戈德伯格说：“你可以认为它是在对抗想要穿越虫洞的正质量或能量。”

康纳和戈德伯格一致认为，负质量的物质不大可能存在，尽管康纳指出，一些量子现象让人看到希望，例如在很小的尺度上存在负能量。但他说，这“远远达不到”现实中时间机器所需的“规模”。

这些挑战解释了为什么康纳最初不愿意让当时他在马萨诸塞大学达特茅斯分校的研究生学生卡罗琳·马拉丽做一个关于时间旅行的研究项目。马拉丽和康纳最终还是开启了这个项目，构想了一台不需要负质量的理论上可行的时间机器。简单来说，马拉丽的设想涉及两辆平行的汽车，每辆都是用常规物质做成的。如果你让一辆车停车，让另一辆车加速到极限，那么它们之间就会形成一条闭合类时曲线。

简单吧？但是，虽然马拉丽的模型摆脱了对负质量的需求，但这又增加了一道障碍：汽车内部需要无限致密，从而使其对时空产生的影响能够对时间旅行有用。无限致密可以在黑洞内部实现，那里的引力非常强，能够把物质挤压到一个名为奇点的小到令人难以置信的空间里。在这个模型中，每辆车都需要包含这样的奇点。马拉丽说：“没有那么多人积极研究这种问题的原因之一就是这些限制条件。”

穿越虫洞或是捷径

还有一些研究人员创建了包含虫洞的时间旅行模型。虫洞是从宇宙中某个点到另一个点的时空隧道。戈德伯格说：“这有点像一条穿越宇宙的捷径。”设想将虫洞的一端加速至接近光速，然后将其送回出发地。他说：“两侧已不再同步。一侧是过去，一侧是未来。”在两者之间穿行，你就是在时间旅行了。

把虫洞的一端移到大引力场——比如黑洞——附近，同时让另一端靠近较小的引力场，也能达到类似的效果。这样做会使时间在大引力场一侧放慢，本质上会使粒子或其他大块物质相对于虫洞另一侧来说停留在过去。

然而，制造虫洞需要令人讨厌的负质量和能量。一个由正常质量生成的虫洞会因为引力而坍塌。戈德伯格说：“大多数设计往往存在类似的问题。理论上是可能成立的，但目前还没有可行的方法来制造它们，有点像制作好吃却没有热量的披萨。”

也许问题不只是我们不知道如何制造时间旅行机器，还可能是除了微观尺度之外我们就不可能做到这一点——已故物理学家斯蒂芬·霍金曾持有这种看法。他提出了时序保护假说：宇宙不允许时间旅行，因为它不允许改变过去。霍金在1992年发表于《物理评论》的一篇论文中写道：“似乎存在一个时序保护机构，它能阻止闭合类时曲线的出现，从而使宇宙对历史学家来说是安全的。”

他的一部分推理涉及时间旅行可能导致的悖论，如前面提到的关于台球的例子及其更著名的版本——祖父悖论：如果你穿越到过去并在你的祖父生育子女之前杀死他，那么你就不可能出生，因此你不能时间旅行，也不可能杀死你的祖父。

然而，正是那些复杂问题让麻省理工学院的哲学家阿古斯丁·拉约产生了兴趣，因为这些悖论不仅让人怀疑因果关系和时间顺序，还让自由意志显得可疑。如果物理学说你可以回到过去，那你为什么不能杀祖父呢？他说：“什么能阻止你？你不自由吗？”

不过，拉约猜想时间旅行与自由意志是一致的。他说：“过去的已经过去了。所以，如果我的祖父确实活得足够长，生育了后代，那么回到过去是不会改变这一点的。如果我尝试的话，为什么会失败？我不知道，因为我对过去的情况不够了解。我知道的是，我会以某种方式失败。”

如果你去杀你的祖父，你可能会在途中踩香蕉皮滑倒，或者错过公交车。科斯塔说：“不是说你会发现某种特殊力量迫使你放弃。你失败的原因非常普通。”

2020年，科斯塔与当时他在澳大利亚昆士兰大学的本科学生热尔曼·托巴尔研究了一个类似想法背后的数学问题。这个想法是：时间旅行可以没有悖论，而且有选择的自由。

戈德伯格在某种程度上同意他们的看法。他说：“我绝对认同这类观点，即如果有时间旅行，那么时间旅行的创建方式会形成一种自洽的历史观。因为似乎其他所有物理定律都是这样创建的。”

没有人知道未来前往过去的时间旅行是什么样的。而且，到目前为止，还没有任何时间旅行者找我们谈这件事。