科学家们发现时间旅行的秘密了吗？

准备好一起踏上时间和空间的
奇妙旅程了吗？

长久以来，时间旅行对人类都有很强的吸引力，它为我们提供了修正过往错误、探索未来新世界和新机遇的可能性。不少作家使用这个概念创作出了独特的故事，而科学家们则为找到准确可靠的时间描述做出了大量努力。如今，我们能够使用133号铯原子在特定跃迁过程中发出的波的振荡来十分精确地测量时间，一秒钟被定义为铯原子完成9,192,631,770次振荡所需的时间。

值得一提的是，我们很有可能会把原子钟换成光学钟。后者更加准确，在相当于宇宙年龄的时间长度内最多只有100秒的误差。这种精确度的提高将使我们能够更全面地理解许多概念，包括暗物质和描述时空相关理论的最基本要素——广义相对论。

阿尔伯特·爱因斯坦是重要性仅次于艾萨克·牛顿的物理学家，他在1905年提出了相对论，革新了我们对空间、时间和引力的理解。根据爱因斯坦的理论，空间和时间形成了一个四维连续体，会因物质的存在而发生弯曲。物体沿着空间的弯曲而运动。在时空概念里，正如爱因斯坦所说，“对于宇宙学意义上非常遥远的地方，我们必须抛弃对过去和未来的区分，尽管这种说法会引起与因果联系方向相关的悖论。”

因为光的速度在任何惯性参考系中都是恒定的，我们由此推断时间和空间都必须被重新定义。对空间和时间的描述表明，在不同的参考系中，时间可以扩张，空间可以收缩。如果考虑引力对时空形状的影响，我们就能通过爱因斯坦方程得到一个有趣的结果——时间旅行，尤其是穿越回过去，至少在理论上是可能的。

简而言之，时间旅行与速度（尤其是光速）和引力紧密相关。

在爱因斯坦提出相对论之后，科学家们全面研究了相关的方程。相对论的结果和预测是革命性的，有时令人震惊。它古怪到即使是爱因斯坦自己也曾一度严重质疑它的真实性，怀疑它是否可以被现实中的物理验证。

即便如此，一些广义相对论最奇怪的预测已经得到了实验证实，比方说黑洞和引力波。特别是黑洞，它对任何想要穿越时空的人来说都是一个基本要素。

就像电影《星际穿越》中一样，我们可以在黑洞附近驻留一段时间，然而在离黑洞更远的地方，时间流逝的速度会更快。在回到事件视界的安全距离之后，我们可以返回地球，那里的时间已经过去好几年了。比方说，具有1万倍太阳质量的黑洞可能会有一个3万千米长的史瓦西半径。如果我们离黑洞的事件视界只有3毫米的距离，我们的1秒就相当于地球上的28小时。但随着我们不断接近事件视界，时间会放慢，直到接近无穷的时间膨胀。

另一个去往未来的方式则需要我们考虑时间和速度的关系。简单来说，我们在空间中运动得越快，我们的时间就会越慢。要想观察到明显的时间膨胀，我们的速度就要非常接近光速。

让我们快速估算一下。如果一艘宇宙飞船以99.99%倍光速航行一年，当它回到地球之后，会发现已经过去80年了。如果它的速度达到99.99999%倍光速，在它航行的一年时间之中，地球上已经过去2000多年了。

考虑到以上情况，你会不会也觉得黑洞是穿越到未来的一个更实用的方案？

这样说来，穿越到未来完全是可能的，并且能被科学界所接受。正如加来道雄所说，“有很多实验肯定了穿越到未来的可能性。实际上，我们只需要解决一些技术问题。我们还没有能力建造能够达到必要速度的宇宙飞船。”

然而，穿越到过去却要复杂得多。物理学告诉我们，能带我们穿越回过去的时间机器尚未问世。正如史蒂芬·霍金所说，假如穿越回过去是可能的，那我们为什么还没遇到来自未来的旅行者呢？更重要的是，我们要如何解决穿越回过去所带来的逻辑悖论呢？

在讨论有可能把我们带回过去的各种时间机器之前，我们必须首先确保这些方案能够通过量子力学的检验。现在，让我们暂时忽略这一点，借用广义相对论方程，讨论物理学家们提出的实现时间旅行的方法。

广义相对论的概念中存在着封闭的时间曲线，相当于形成闭合循环的世界线。这就意味着它们所代表的物体在不断向未来前行的过程中，在空间和时间上都会再次到达世界线的起点。这种轨迹使时间旅行成为可能。但这个概念带来的首要问题是，如果沿着封闭的时间线穿越回过去，我们会在离开的那一刻之前到达。

在物理学家们提出的各种讨论中，有几个广义相对论方程的相关解决方案值得一提：

– 爱因斯坦-罗森单向桥，也就是如今我们所说的虫洞

– 哥德尔的方案，涉及旋转宇宙

– 提普勒提出的对哥德尔方案的变种，他用一个有无限长度的旋转圆柱体替换了旋转宇宙

– 基普·索恩的双向时空虫洞

好像时间旅行（即在一个封闭的时间轨迹上的旅行）的基本要素是超过光速，但根据物理学定律，这似乎是不可能的。然而，一些物理学家试图研究出一些理论策略来欺骗大自然，以达到超过光速的目的。

其中一个很吸引人的例子就是曲速引擎。它是一种能操纵时空的引擎，能够以一种特定的方式弯曲时空，即挤压飞船前方的时空，拉伸飞船后方的时空。通过这种方式，飞船能在自身不动的情况下超光速移动。但不幸的是，这个方法只适用于在时空中极速移动的场景，并不能帮我们实现时间旅行。如果要在封闭的时间曲线上旅行，飞船必须加速到超过光速，然而这并不可能。

另一个策略是使用虫洞，就像是在时空的两个点之间找到一条捷径。在这种情况下，我们并不需要以光速前行，但仍然能在一眨眼之间在时空中穿梭极远的距离。而且，跟曲速引擎不同，虫洞可以让我们穿越到过去。让我们来看看到底是为什么。

根据广义相对论，时空具有一些奇特的属性，比如撕裂的能力，可以形成洞或隧道。我们将这些隧道称为虫洞。如果虫洞真实存在且能正常运作的话，它能让我们从时空中的一个点穿行到另外一个点。

虫洞可以充当时间机器，因为它能让我们在时间、空间、抑或是时空中点对点穿行。然而，科学家们目前尚未观测到虫洞，所以这暂时仍然只是假设和推测。

虫洞这个术语来自一个可视化的类比。我们把宇宙想象成一个苹果，上面有条虫子。如果这条虫子要从苹果表面上的A点到达表面上的B点，它可以直接在苹果表面爬行，也可以打一个洞，缩短路程。这里的洞就是时空隧道，也就是我们提到的爱因斯坦-罗森桥。

虫洞的分类有很多方式，为了研究时间旅行的话题，这里只集中讨论两种：

– 宇宙内时空隧道。它连接同一宇宙内的不同位置。理论上，引力隧道可以通过时空变形连接宇宙中相距甚远的两个点，从而实现比正常旅行更快的穿行。

– 宇宙间时空隧道，也叫史瓦西虫洞。它连接两个不同的宇宙。这种隧道有可能被用于跨维度穿梭或时间旅行。在后一种情况中，虫洞将使时空中不同位置之间的瞬时穿行成为可能。

虫洞对于星际旅行和时间旅行来说都很有前景，但还存在一个问题——要进入一个虫洞，就必须进入一个黑洞，并将其中心作为 “传送门”，而这很可能是致命的。

另外，这更像是一次单程旅行，因为要离开黑洞，我们必须超越光速。然而，曾参与《星际穿越》电影制作的世界著名广义相对论专家、物理学家基普·索恩认为，人造虫洞是可以实现的。

1988年，基普·索恩提出了一个双向虫洞的模型，可以方便地来回旅行。这个模型是最有希望实现时间旅行的，因为它可以让旅行者不受伤害。但它需要使用负质量或负能量来保持虫洞入口开放。负质量的排斥力将阻止引力破坏入口或伤害旅行者。

制造一个人类大小的虫洞需要大量的正能量和负能量。制造一个一米的虫洞所需的负质量与木星的质量相仿。

要想让这个方法更加可行，我们就得解决虫洞的不稳定性，找到一个方法来逃开隧道和黑洞内部产生的辐射。

即便我们能做到这一点，时间旅行仍然是件极其危险的事，消耗的能量也非常多。要想制造更大的隧道，我们可能需要一颗恒星或一个黑洞那么多的能量。

库尔特·哥德尔是爱因斯坦的朋友，也被称为“亚里士多德之后最伟大的逻辑学家”。他在逻辑领域的贡献不容小觑。

哥德尔第一个找到了爱因斯坦方程中有关时间旅行可能性的方案，这也使爱因斯坦本人感到非常困扰。

哥德尔模拟了一个旋转的宇宙，每七百亿年可以完成一次完整的旋转。在这个宇宙中，时间是周期性的，离心力能够防止引力塌陷。旋转是时间循环的关键。哥德尔认为这种宇宙会是最伟大的时间机器，能够使一个假想的太空旅行者回到自己的过去（只要旅行者以光速移动，并且旅行得非常远）。

可惜的是，目前的证据表明，我们宇宙的净旋转是零。

然而，物理学家提普勒提出了哥德尔理论的一个变种。它规避了封闭、旋转的宇宙的复杂性，设想在宇宙中存在一个旋转的圆柱体。根据提普勒的理论，这个圆柱体可以拖动时空连续体，使人们能够超越一定的旋转速度回到过去。唯一的问题是，这个圆柱体必须是无限长的。为了解决这个问题，提普勒又假设了一个长度有限的圆柱体，但这个模型需要一个更快的旋转速度。

除了讨论时间旅行的技术性问题，我们还必须考虑相关的道德和立法问题，比方说时空盗窃，或者对尚未出生的人进行谋杀。我们还会面对一些悖论，比如祖父悖论，即回到过去并杀死自己的祖父会使自己不复存在。这种跟过去互动和改变未来的可能性也将引发其他推测和讨论。祖父悖论最简单且最有可能的解决方案是平行宇宙。这也不会违背量子理论。如果没有这个设想，我们将不得不屈服于这样的想法：1）穿越到过去并改变过去是已经预见到的事情，这使循环本身成为可能且不可被改变。2）穿越到过去对我们来说是可能的，但我们不能对过去做出任何改变，除非是以最轻微的形式。这就好像是时间的守护者会来控制我们，防止我们做出傻事。

目前，似乎这个阻止我们胡作非为的宇宙守护者是由热力学第二定律来扮演的，它根本不赞成时间旅行这件事。

热力学第二定律表明，一个孤立系统的熵可以随时间增加，但不能减少。

然而，这个说法并不总是对的，也存在一些例外情况。而且正如我们预期的那样，这些例外存在于量子力学的世界里。在量子力学中，有些系统的时间可以同时向前和向后推移。一如既往，量子力学为我们呈现了一个极具想象力且十分复杂的现实替代方案：量子叠加。因此，一种时间演变方式的存在并不排斥另一种方式的存在，因为两者都是在叠加状态下发生的。这是一个已经在多个平台上得到了实验证明的理论模型。许多物理学家也讨论了量子力学可能存在的不准确性，不然的话，我们将不得不再次质疑时间这一概念，正如爱因斯坦在大约一个世纪前所做的那样。

虽然一些物理学家质疑量子力学的正确性，但如果能通过未来的万物理论，将其与广义相对论相结合，这种理论模型可能会是理解时间旅行和黑洞的关键因素。

但无论走哪条路，我们都将会发现令人激动且不可思议的崭新物理学。