一,、從《時間機器》講起 

　　眾所周知,，迄今為止人類在空間與時間上獲得的自由度是很不相同的。我們可以沿空間方向作自由運動，卻無法隨意駕馭時間,。時間就象一條漫漫長河,，世間萬物仿佛是河里的漂浮物,，只能隨波逐流,。

　　現(xiàn)實的盡頭往往就是幻想的起點。如果時間是一條長河,，那么在這長河之中是否能有船只呢,？漂浮物只能隨波逐流,，船只卻可以劈波斬浪。如果時間長河中能有船只,，我們就可以乘坐這種船只進行時間旅行,，既可以窺視未來，也可以重返往昔,，說不定還能改變歷史,。

　　在科幻小說中，這種假想的船只被稱為“時間機器”,。

　　有關(guān)時間機器最早,、最著名的小說是英國科幻作家威爾斯的《時間機器》(The Time Machine),，發(fā)表于1895年,。

　　不過，威爾斯并不是最早觸及時間旅行這一題材的作家,，在他之前已經(jīng)有許多作家涉足過這一題材,，其中甚至包括美國諷刺小說家馬克·吐溫，他發(fā)表于1889年的《康州美國佬在亞瑟王朝》(A Connecticut Yankee in King Arthur's Court)據(jù)說是最早涉及逆向時間旅行的小說,。 

　　但在那些比威爾斯更早的文學(xué)作品中,，普遍沒有使用象時間機器這樣一種可以讓人選擇“目的地”(確切地講是“目的時間”)的旅行器，并且也極少對時間旅行的機制作哪怕只是科幻意義上的說明,。

　　威爾斯的《時間機器》在這兩方面都是突破性的,，它很快引起了讀者們的巨大興趣，并于1960及2002年兩度被拍成電影,，英國甚至為《時間機器》出版100周年發(fā)行過紀念郵票,。

　　威爾斯寫作《時間機器》的時侯，愛因斯坦的相對論尚未被提出,，人們對時空的理解大體上還停留在牛頓的絕對時空觀上[注一],，但威爾斯卻在《時間機器》一書中令人吃驚地提出了將時間作為第四維的觀點，與十年后到來的相對論時空觀作了戲劇性的遙相呼應(yīng),。 

　　威爾斯將時間視為第四維,，目的是要通過將時間與空間類比來為時間旅行開綠燈。那么現(xiàn)代物理學(xué)認可這個綠燈嗎,？這就是本文所要討論的內(nèi)容,。

二、面向未來與重返過去 

　　我們知道,，在牛頓的絕對時空觀里,，時間和空間不受任何物質(zhì)及運動的影響(這是“絕對”的主要含義所在)。很明顯,，在這樣的時空觀里,，時間旅行不具有理論基礎(chǔ),，它的存在只是一種幻想。

　　但是狹義相對論的提出對時空觀產(chǎn)生了一次重大變革,。在狹義相對論中,，時間和空間不再是絕對的概念，而是與參照系的選擇密切相關(guān),。特別是,，在運動參照系中時間的流逝會變慢，這是著名的時間延緩效應(yīng),，它的存在已經(jīng)被大量物理實驗所證實,。

　　狹義相對論所帶來的這種新結(jié)果，為時間旅行開啟了第一種具有理論依據(jù)的可能性：那就是面向未來的時間旅行成為了可能,。 

　　按照狹義相對論,，如果有人想要到未來去旅行，他所需要的時間機器就是一艘能以接近光速的高速度運行的飛船,。想要到達的未來越遙遠,，飛船所需達到的速度就越高。

　　如果他想在20年(飛船上的時間)的飛行之后到達兩萬年(地球上的時間)后的地球上,，他所要做的就是讓飛船以相當于光速99.99995%的速度飛行10年,，然后以相同的速度往回飛。那么20年后,，當他回到地球上時,，地球上的日歷已經(jīng)翻過了整整兩萬年，他可以如愿以償?shù)乜吹絻扇f年后的人類社會(如果那時侯人類社會還存在的話),。

　　可以想象,，這樣一位來自遠古的旅行家將會受到未來的歷史學(xué)家和考古學(xué)家們何等熱烈的歡迎。

　　事實上,，不僅未來的歷史學(xué)家和考古學(xué)家將會非常歡迎這樣的時間旅行家,，與這位時間旅行家同時代的人又何嘗不希望他能把自己看到的未來世界的情形帶回給大家呢？可惜的是,，狹義相對論為面向未來的時間旅行開啟了大門,，卻沒能為重返過去的時間旅行提供同樣的理論可行性。

　　如果一定要對狹義相對論的數(shù)學(xué)框架做廣義詮釋的話,，那么只有超光速的運動才可能導(dǎo)致某一類參照系中的時序被顛倒,。

　　但是狹義相對論本身在亞光速與超光速之間設(shè)置了一個光速壁壘，沒有任何已知的物理過程能夠使原本亞光速運動的物體——包括人——進入超光速運動狀態(tài),，因此在狹義相對論的理論框架內(nèi),，時間旅行家可以到達未來，但卻不能重返過去,，這與我們在空間中自由自在的運動相比,，顯然是差得很遠的,。

　　而且，面向未來的時間旅行不一定需要時間機器才能做到,，通過將旅行者冷凍若干年再解凍的手段也可以達到同樣的目的,，因此時間機器如果存在的話，它真正獨特的價值不在于面向未來,，而在于重返過去,。

　　那么重返過去的路在哪里呢？

　　在狹義相對論之后又過了10年,，愛因斯坦提出了廣義相對論,。在廣義相對論中，時間和空間不僅如狹義相對論中一樣與參照系的選擇密切相關(guān),，而且還有賴于物質(zhì)的分布和運動,。

　　由此產(chǎn)生的一個不同于狹義相對論的重要結(jié)果是：我們對“未來”的定義不再是絕對的了，它會受到物質(zhì)運動的影響,。在不同時刻,、不同地點,，“未來”有可能指向不同的方向,。 

　　這是一個奇妙的結(jié)果，它表明時空在某種意義上就象流體一樣會受到物質(zhì)運動的拖曳,，甚至連時間的方向都有可能因拖曳而改變,。

　　既然時間的方向可以被物質(zhì)的運動所拖曳，那么有沒有可能存在某種物質(zhì)的分布與運動,，它對時間方向的拖曳如此顯著,，以至于把未來方向拖曳成過去方向，甚至讓不同的時間方向首尾相接,，連成一條閉合曲線呢,？

　　這樣的閉合曲線如果存在，無疑就是一種時間機器,，因為沿這種曲線運動的飛船每時每刻都在做正常的飛行,，感受到正向的時間流逝，但它的軌跡卻不僅在空間上,，而且會在時間上回到出發(fā)點,。 

　　如果你乘坐飛船沿這樣的曲線做一次為期10年的旅行[注二]，那么在旅行結(jié)束時你不僅會回到飛船出發(fā)的地方,，并且會遇見10年前整裝待發(fā)的自己[注三],！

　　物理學(xué)家們把這種奇妙的曲線稱為“閉合類時曲線”，它是時間機器這一科幻術(shù)語在廣義相對論中的代名詞,。倘若存在閉合類時曲線,，時間旅行就有了理論上的可能性,。

　　那么在廣義相對論中，是否存在閉合類時曲線,？或者確切地說,，是否存在使閉合類時曲線成為可能的物質(zhì)分布與運動呢？對這個問題,，物理學(xué)家們做了許多研究,。

三、廣義相對論與時間旅行 

　　1949年,，著名邏輯學(xué)家哥德爾在廣義相對論中發(fā)現(xiàn)了一個非常奇特的解,，描述一個如今被稱為“哥德爾宇宙”的整體旋轉(zhuǎn)的宇宙。

　　在這種宇宙中,，物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)對時間方向會產(chǎn)生拖曳作用,，離旋轉(zhuǎn)中心越遠，拖曳作用就越顯著,。在足夠遠的地方,，拖曳作用足以形成閉合類時曲線。 

　　因此,，在哥德爾宇宙中只要讓飛船沿某些遠離旋轉(zhuǎn)中心的軌道運動,，原則上就可以實現(xiàn)時間旅行。

　　哥德爾這位曾經(jīng)以哥德爾不完全性定理震撼整個數(shù)學(xué)界的邏輯學(xué)家,，又用他的旋轉(zhuǎn)宇宙震動了包括愛因斯坦本人在內(nèi)的許多物理學(xué)家,。

　　可惜的是，哥德爾宇宙并不符合天文觀測,。首先,，我們所生活的宇宙并不存在整體的旋轉(zhuǎn)[注四]；其次,，在哥德爾宇宙中宇宙學(xué)常數(shù)是負的,，而我們觀測到的宇宙學(xué)常數(shù)卻是正的，因此我們所生活的宇宙顯然不是哥德爾宇宙,。

　　不僅如此,，定量的計算還表明，即便我們真的生活在一個哥德爾宇宙中,，也很難實現(xiàn)時間旅行,，因為沿哥德爾宇宙中的閉合類時曲線運行一周所需的時間與宇宙的物質(zhì)密度有關(guān)，對于我們所觀測到的物質(zhì)密度而言,，沿閉合類時曲線運行一周起碼需要幾百億年的時間,。因此哥德爾宇宙對于時間旅行并無現(xiàn)實意義。

　　不過,，哥德爾宇宙雖然沒有現(xiàn)實意義,，但它的發(fā)現(xiàn)表明廣義相對論的確允許閉合類時曲線的存在,，這本身就是一個鼓舞人心的結(jié)果。

　　自那以后,，物理學(xué)家們在廣義相對論中又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其它一些允許閉合類時曲線的解,。

　　比如1974年，美國圖蘭大學(xué)(Tulane University)的物理學(xué)家梯普勒(FrankJ,、Tipler)研究了一個無限長的旋轉(zhuǎn)柱體外部的時空[注五],，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只要旋轉(zhuǎn)速度足夠快，這樣的柱體對外部時空所起的拖曳作用也足以形成閉合類時曲線,。

　　又比如1991年,，普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家高特發(fā)現(xiàn)兩條無限長的平行宇宙弦以接近光速的速度彼此擦身而過時，也會在周圍形成閉合類時曲線,。

　　與梯普勒人為引進的旋轉(zhuǎn)柱體不同的是,，宇宙弦的存在雖然還沒有明確的實驗證據(jù)，但它是許多前沿物理理論所預(yù)言的東西,。因此高特的結(jié)果可以算是把時間機器在理論上的可能性又推進了一步,。

　　但是梯普勒與高特為了數(shù)學(xué)上的便利都引進了無限長的物質(zhì)分布(即“無限長的旋轉(zhuǎn)柱體”和“無限長的平行宇宙弦”)，這在現(xiàn)實世界中顯然是不可能嚴格實現(xiàn)的,。

　　假如物質(zhì)的分布不是無限的,，還可以得到類似的結(jié)果嗎？物理學(xué)家們對此也做了研究,，但情況不容樂觀：1992年,，著名物理學(xué)家霍金給出了一個令人沮喪的結(jié)果,，那就是如果能量密度處處非負,，那么試圖在任何有限時空區(qū)域內(nèi)建造時間機器的努力要想成功，都必須產(chǎn)生物理學(xué)家們最不想看到的東西——時空奇點[注六],。

　　時空奇點對于研究廣義相對論的人來說是并不陌生的,，它具有一系列令人頭疼的性質(zhì)，比如物質(zhì)的密度發(fā)散,，時空的曲率發(fā)散,，等等[注七]。雖然沒有人確切知道時空奇點的出現(xiàn)會對時間旅行產(chǎn)生什么影響,，但這種影響很可能是兇多吉少的,。

　　霍金的這個結(jié)果對于建造時間機器無疑是壞消息，但細心的讀者也許注意到了,，這個結(jié)果中有一個限制條件,，那就是“能量密度處處非負”。這個條件粗看起來是非常合理的,，但我們在介紹蟲洞的時候已經(jīng)提到過,，負能量物質(zhì)的存在不僅在理論上是可能的,，而且已經(jīng)得到了實驗的證實。 

　　既然負能量物質(zhì)可以存在,，那么霍金的結(jié)果(確切地說是其中的結(jié)論部分)就有可能被避免,。

　　這方面的研究事實上早在霍金的結(jié)果出現(xiàn)之前就已經(jīng)有人進行了——當然目的不是為了避免當時尚未出現(xiàn)的霍金的結(jié)果：加州理工學(xué)院的物理學(xué)家索恩(Kip Thorne)與學(xué)生莫里斯(Mike Morris)等人在1988年發(fā)表的一項有關(guān)“可穿越蟲洞”(traversable wormhole)的研究中，發(fā)現(xiàn)蟲洞不僅是空間旅行的通道,，而且還可以作為時間旅行的工具——只要讓蟲洞的出入口以接近光速的速度作適當?shù)倪\動,，就可以將蟲洞轉(zhuǎn)變成時間機器[注八]。

　　由于蟲洞中含有負能量物質(zhì),，因此他們這種時間機器可以避免霍金的結(jié)果,，不導(dǎo)致時空奇點(從這個意義上講，負能量物質(zhì)還真是很有“正能量”),。 

　　索恩等人的這一研究把科幻小說中最具魅力的兩個概念——蟲洞與時間機器——聯(lián)系在了一起,，集“萬千寵愛”于一身，很快就成為了建造時間機器的熱門方案,。

　　但是,，索恩等人的蟲洞時間機器雖然可以避免霍金的結(jié)果，卻立即遇到了另一個棘手的問題,，那就是蟲洞一旦成為時間機器,，在類時曲線閉合的一剎那，任何微小的量子漲落都有可能通過那樣的蟲洞返回過去,，與它本身相疊加,。

　　這種疊加過程可以在零時間內(nèi)重復(fù)無窮多次，由此產(chǎn)生的自激效應(yīng)足以在瞬間將時間機器徹底摧毀,！這種效應(yīng)不僅危及索恩等人的“蟲洞時間機器”,，對其它類型的時間機器也同樣具有威脅。

　　1992年,，霍金干脆提出了著名的時序保護假設(shè)(Chronology Protection Conjecture),，認為自然定律不會允許建造時間機器。不過迄今為止,，這還只是一個假設(shè),，而且霍金的論據(jù)也不是無懈可擊的，對時間機器的理論可行性持樂觀看法的物理學(xué)家們陸續(xù)提出了一些模型來突破霍金對時間機器的封殺,。這方面的討論目前仍在繼續(xù),。

注釋 

　　1、在1892至1895年間,，荷蘭物理學(xué)家洛侖茲(Hendrik Lorentz)等人曾在研究 電磁理論時提出過一些有別于絕對時空觀的假設(shè),，但這些假設(shè)并未成為主流， 后來則被相對論所取代。

　　2,、這里“為期10年”指的是飛船上的時間,。

　　3、事實上,，不僅旅行結(jié)束時的你會看到10年前的自己,，十年前的你在出發(fā)時也 會看到10年后凱旋的自己。假如你在出發(fā)時什么都沒看到,，說明旅程中必定會 發(fā)生意外,，使你無法回到旅行的起點。在這種情況下,，你或許應(yīng)該取消旅行,！

　　4、當然,，這是指在現(xiàn)有的觀測精度內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)宇宙的整體旋轉(zhuǎn),。另外，有讀者 可能會問：什么是宇宙的整體旋轉(zhuǎn),？這種旋轉(zhuǎn)是相對于什么來定義的,？這類問 題可以視為是跟奧地利哲學(xué)家馬赫(Ernst Mach)的觀點，即旋轉(zhuǎn)必須是相對   的,，一脈相承,。不過，盡管愛因斯坦本人曾經(jīng)推崇過馬赫,，但廣義相對論事實上 并不嚴格遵循馬赫的哲學(xué)觀點,。

　　5、梯普勒并不是最早研究這一時空的物理學(xué)家,，早在1937年,，荷蘭物理學(xué)家范 斯托克姆(Willem Jacobvan Stockum)就曾研究過這一時空，只不過沒有象梯普勒那樣對其因果特性進行分析,。

　　6,、確切地講，許多物理學(xué)家都得到過類似的結(jié)果,，霍金的只是其中之一。

　　7,、奇點的嚴格定義本身就是廣義相對論中一個非常棘手的課題,，這里敘述的只是某一類奇點的特性，更詳細的敘述可參閱拙作從奇點到蟲洞的什么是奇點部分,。

　　8,、具體地說，讓蟲洞成為時間機器所需的最簡單的運動是那種使蟲洞兩個出口之間的外部空間距離迅速改變，而蟲洞本身的長度卻不改變的運動,。產(chǎn)生這種運動并不容易,，但在原則上是可以做到的。關(guān)于“蟲洞時間機器”的更詳細介紹,，可參閱拙作從奇點到蟲洞的由蟲洞到時間機器部分,。