【书评】物理学家眼中的时间旅行，究竟有几种实现方式？

作者：宁向东 著

作者：加来道雄

译者：夏璐

100 年前，科学家们会说，激光、电视和原子弹超越了物理学上的可能性，但今天它们都已经成为现实。

在《不可思议的物理》中，加来道雄借助科幻的魅力带领我们一同踏上探索科学边界的旅程，从隐形传送到心灵感应，他将以当下所知的物理定律和科学原理，探索技术的极限以及那些不可思议的幻想在未来得以实现的可能性。

他将这些想象分为一等、二等和三等，依据是它们可能在何时被实现：在下一个世纪之内、在数千年之内，或者永远不会。

我们将在这本书中看到，利用光学和电磁来实现隐身的方法，了解如何利用冲压喷气式火箭、激光帆、反物质发动机和纳米飞船带我们去往其他星球，以及通过核磁影像、超导性和纳米科技实现心灵感应的可能性，感受不可思议的魅力。

本文将截取原文中的一部分，跟大家分享。

正文

或许，在黑洞和时间机器的密集数学方程方面，宇宙学家斯蒂芬·霍金是最著名的代表人物。不同于其他早早就因数学、物理受人注目的学习相对论的学生，霍金在年轻时其实不是个优秀的学生。他显然极为聪明，但他的老师们常常会注意到，他没有将精力集中在学习上，并且从来不发挥他的全部潜力。

但是转折点在 1962 年到来了，从牛津毕业后，他开始出现肌萎缩侧索硬化（ALS）的症状。他被自己患有这一运动神经元上的不治之症的消息惊呆了，这种病将剥夺他的所有运动功能，并可能很快导致死亡。最初这一消息令人极为难过。如果他无论如何都会很快死去，那么获得博士学位又有何用呢？

在熬过了最初的恐惧、震惊之后，他有生以来第一次得以集中精神。他意识到自己没有多长时间可以活了，便开始猛攻广义相对论中某些最困难的问题。

20 世纪 70 年代早期，他发表了一系列里程碑式的论文，证明爱因斯坦理论中的“奇点”（在这个位置，引力场变得无穷大，比如黑洞的中心和宇宙大爆炸的瞬间）是相对论不可或缺的一部分，并且无法被轻易摒除（就像爱因斯坦所认为的那样）。

1974 年，霍金还证明了黑洞并不完全是黑的，而是会逐渐放射出辐射，现在这被称为“霍金辐射”，因为辐射连黑洞的引力场都能穿透。这篇论文是量子理论在相对论上的第一次重要应用，并且是他最著名的研究成果。

正如预测的那样，肌萎缩侧索硬化慢慢使他的手、腿和声带瘫痪，但速度比医生最初的预计慢得多。

因此，他已经经历了许多对于普通人来说十分重大的人生事件：成为三个孩子的父亲，于 1990 年与第一任妻子离婚，五年后娶了第二任妻子，并于 2006 年申请与第二任妻子离婚；2007 年，他登上喷气式飞机进行无重力飞行，实现了毕生的心愿。他的下一目标是飞向太空。

后来，他几乎完全瘫痪在轮椅中，通过眼睛的活动与外界交流。然而，尽管身患难以忍受的残疾，他仍旧能开玩笑、写论文、做演讲，并且参加论战。他仅靠移动双眼就比那些能够完全控制自己躯体的科学家团队更有效率。

（他在剑桥大学的同事、女王任命的皇家天文学家马丁·瑞斯爵士曾经向我透露，霍金的残疾的确妨碍他进行那些为了保持自己研究领域内顶尖地位所需要的单调计算。因此，他转而集中精力提出新颖的思想，而不是完成困难的运算，这可以由他的学生来做。）

1990 年，霍金读了同事们的一篇论文，提出了一种类型的时间机器，他立刻产生了怀疑。他的习惯告诉他，时间旅行是不可能的，因为不存在来自未来的旅行者。如果时间旅行如同星期天在公园里野餐一样常见，那么来自未来的时间旅行者应当会举着相机纠缠我们，要求我们摆好姿势。

霍金还向全世界的物理学家提出了一项挑战。他宣布，应当有一条定律使时间旅行不可能实现。他提出了“时序保护猜想”，从物理定律上禁止时间旅行，以“为历史学者保障历史的安全”。

然而，令人尴尬的是，无论物理学家们多么努力地尝试，都无法找出一条不允许时间旅行的定律。看起来时间旅行似乎符合已知的物理定律。

由于无法找出任何禁止时间旅行的物理定律，霍金后来改变了主意。他说：“时间旅行或许可行，但是它不实际。”这句话在伦敦的报纸上被大肆报道。

时间旅行一度被认为是边缘科学，却突然间成了理论物理学家们的游乐场。加州理工学院的物理学家基普·索恩写道：

“时间旅行曾经仅仅是科幻作家的领地。严肃的科学家对其像躲避瘟疫一般，唯恐避之不及——哪怕是在用笔名写小说或者私下阅读的时候。时代真是变了！现在能够在严肃科学期刊上发现关于时间旅行的学术性分析，出自著名的理论物理学家之手……

为什么会发生这样的改变？因为我们物理学家已经意识到时间的本质是一个极为重要的议题，不能仅仅被遗落在科幻作家手中。”

所有这些混乱与兴奋的原因是，爱因斯坦的方程允许很多种时间机器存在。（然而，它们是否经得起量子理论的挑战仍不确定。）在爱因斯坦的理论中，事实上我们常常遇到某种叫“封闭式类时间曲线”的东西，它是允许回到过去的时间旅行路径的专业术语。

如果我们沿着一条封闭式类时间曲线的路径前进，那么我们将踏上一次旅程，并且回到我们出发之前的时间。

《神秘博士》中的时间机器 Tardis。图片来源：Pixabay

第一种时间机器包含了一个虫洞。爱因斯坦方程有许多解连接了空间中两个相距遥远的点。但是，由于空间和时间在爱因斯坦的理论中密不可分，相互交织，因此，同一个虫洞可以连接时间中的两个点。掉入虫洞，你可以（至少在数学上）回到过去。

可以想象，你随后能够回到开始的那一刻，并且遇到离开之前的你自己。但是，正如我们在之前的章节中提到的，穿过一个黑洞中心的虫洞是一次单程旅行。正如物理学家理查德·戈特所说：“我不认为一个人在黑洞中回到过去的时光会存在什么疑问。问题是他是否能重新出现，夸耀他的经历。”

另一种时间机器包括一个旋转的宇宙。1949 年，数学家库尔特·哥德尔发现了第一个包含时间旅行的爱因斯坦方程的解。假设宇宙旋转，那么只要你在宇宙中以足够快的速度移动，或许就可以回到过去，甚至到达自己出发之前的时间。因此，一次环绕宇宙的旅行也是一次回到过去的旅行。

当天文学家们拜访高级研究所的时候，哥德尔常会问他们是否找到了宇宙正在旋转的证据。当他们告诉他有清楚的证据表明宇宙在膨胀，但是宇宙的净转动可能是零时，他很失望。（否则，时间旅行或许会很平常，历史会像我们所了解的那样令人崩溃。）

第三种情况，如果你绕着一根无限长的、旋转的圆柱走，你可能同样会发现，自己回到了自己出发之前。（这个解是由W.J. 范·斯托克姆在1936 年发现的，早于哥德尔的时间旅行解，但斯托克姆看起来没有意识到他的解允许时间旅行。）既然如此，如果你在五朔节绕着一根旋转的五月柱跳舞，那么你或许会发现自己身处四月。（然而，这一方案的问题在于圆柱必须是无限长的，并且旋转得非常快，以至大多数材料会被甩出去。）

最近的时间旅行的例子由普林斯顿大学的理查德·戈特于1991年发现。他的解决方案是以发现巨大的宇宙弦（可能是最初的大爆炸的残存物）为根据的。他假设两根大型宇宙弦即将相撞。如果你快速绕这两根相撞的宇宙弦移动，你就会回到过去。

这种类型的时间机器的优势在于不需要无限长的圆柱、旋转的宇宙或者黑洞。（然而，这一方案的问题在于必须先找到漂浮于太空中的巨大宇宙弦，并且随后使它们以精确的方式相撞。回到过去的可能性只能持续一段短暂的时间。）戈特说：“一个坍缩的弦环足够大，需要你用一年的时间绕它一圈然后回到一年前，那么弦质量－能量必须超过整个星系的一半。”

但是，时间机器最有前景的方案是前一章中提到的“可穿越虫洞”，一个时空中的洞，在虫洞中人可以自由在时间中前进和后退。理论上说，可穿越虫洞不仅能提供超光速旅行，还可以提供时间旅行。可穿越虫洞的关键是负能量。

一个可穿越虫洞时间机器将由两个房间组成，每个房间由两个分开一小段距离的同心球体组成。使外侧的球体向内聚爆，两个球体会制造卡西米尔效应，并因此产生负能量。

假设一个III 型文明能够将这两个房间用一个虫洞（可能从时空泡沫中获取一个）连接起来。随后，将第一个房间以接近光速的速度送入太空。那个房间里的时间会减慢，这样两个时钟就不再同步了。两个房间内的时间以不同的速度流逝，而它们由一个虫洞相连。

如果身处第二个房间内，你可以立即穿过虫洞到达第一个房间，那里的时间比较早。这样你就回到了过去。

这一方案面临难以克服的问题。虫洞可能会很小，比一个原子还小得多。金属板可能必须被向内收紧到普朗克长度的距离，以制造足够的负能量。最后，你只能回到时间机器被制造的时间点。在那之前，两个房间的时间流逝速度是相同的。

【《不可思议的物理》作者介绍：加来道雄（Michio Kaku）。他是美籍日裔物理学家，科学畅销书作者，超弦理论创始人之一，纽约城市大学研究生中心理论物理学教授。

他撰写了多部广受赞誉的科普著作，包括《平行宇宙》《不可思议的物理》《人类的未来》等，并多次入围《纽约时报》和《华盛顿邮报》年度科学读物。他还主持过多档电视科普节目，并在美国《60分钟》《早安美国》以及《拉里•金直播在线》等节目中担任嘉宾。他的文章《一名物理学家的教育历程》被收录至人教版高中语文课本。】

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