著名作家赫·乔·威尔斯于1895年出版了他的第一部小说《时间机器》，就在维多利亚女王对英国长达六十年的统治结束前几年。一个更为持久的王朝也即将结束：延续了200年的牛顿物理学时代。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了他的狭义相对论，这颠覆了艾萨克·牛顿的理论体系，并且，大概令威尔斯欣喜的是，它允许了在牛顿定律下不可能发生的事情：时间旅行到未来。在牛顿的宇宙中，时间在任何地方、任何时候都是稳定的。它从不加速。它从不减速。但对于爱因斯坦来说，时间是相对的。
时间旅行不仅仅是可能的——它已经发生过了，尽管不完全像威尔斯想象的那样。普林斯顿大学的天体物理学家J·理查德·戈特认为，迄今为止最长的一次时间旅行是由谢尔盖·K·克里卡列夫完成的。在他的漫长职业生涯中，这位俄罗斯宇航员从1985年开始，在太空中共度过了803天。正如爱因斯坦所证明的那样，对于运动中的物体来说，时间比静止的物体流逝得更慢，因此当克里卡列夫以每小时17885英里的速度在“和平号”空间站上疾驰时，他的时间流逝速度与地球上的时间流逝速度不同。在轨道上运行时，克里卡列夫比地球上的同胞们少衰老了1/48秒。换句话说，他向未来旅行了1/48秒。
随着距离的拉长和速度的提高，时间旅行效应变得更容易观察到。如果克里卡列夫在2015年离开地球，并以光速的99.995%的速度往返于参宿四——一颗距离地球约650光年的恒星——那么当他返回地球时，他只会老10岁。可悲的是，他认识的所有人都早已去世，因为地球上已经过去了1000年；那将是3015年。“时间旅行到未来，我们知道我们可以做到，”戈特说。“这只是金钱和工程的问题！”
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
跳跃到未来几纳秒——甚至几个世纪——相对来说是直接的，尽管存在实际挑战。但回到过去则更难。爱因斯坦的狭义相对论禁止这样做。经过十年的研究，爱因斯坦公布了他的广义相对论，最终解除了这一限制。然而，一个人实际上将如何回到过去，这是一个令人困惑的问题，因为广义相对论方程有许多解。不同的解为宇宙赋予了不同的性质——并且只有一些解创造了允许时间旅行到过去的条件。
这些解是否描述了我们自己的宇宙是一个悬而未决的问题，这引发了更深刻的谜题：需要对基本物理学进行多少调整才能允许回到过去的时间旅行？即使爱因斯坦的方程没有排除这种可能性，宇宙本身是否以某种方式阻止了这种旅行？物理学家们继续推测，不是因为他们认为回到过去的时间旅行会变得实际，而是因为思考这种可能性已经对我们所居住的宇宙的本质产生了一些令人惊讶的见解——包括，也许，它是如何首先形成的。
看待时间的新方式
通过他的狭义相对论，爱因斯坦以一种肯定会让威尔斯感到高兴的方式使时间变得可塑，威尔斯先见之明地认为，我们居住的宇宙中，三维空间和时间被编织成一个四维整体。爱因斯坦通过探索两个基本思想的含义，得出了他的革命性成果。首先，他认为，即使所有运动都是相对的，物理定律对于宇宙中任何地方的每个人来说都必须看起来相同。其次，他意识到光速对于所有视角来说都必须是同样不变的：如果每个人都看到相同的物理定律在起作用，那么他们在测量光速时也必须得出相同的结果。
为了使光成为普遍的速度极限，爱因斯坦不得不抛弃两个常识性的概念：所有观察者都会对给定长度的测量结果达成一致，并且他们也会对时间流逝的持续时间达成一致。他表明，一个运动中的时钟，以极快的速度从静止的人身边掠过，会比这个人身边的静止时钟走得更慢。而一个快速移动的尺子的长度会缩短。然而，对于任何以与时钟和尺子相同的速度旅行的人来说，时间的流逝和尺子的长度看起来都是正常的。
在普通速度下，狭义相对论的时间和空间扭曲效应可以忽略不计。但是对于任何以接近光速的分数（相对于观察者）移动的物体来说，这些效应都是非常真实的。例如，许多实验已经证实，当不稳定的粒子μ子以接近光速的速度运动时，它们的衰变率会减慢一个数量级。实际上，高速运动的μ子是微小的时间旅行者——亚原子克里卡列夫——跳跃到未来几纳秒。
哥德尔的奇异宇宙
那些快速的时钟、尺子和μ子都在时间中向前飞驰。它们能被倒转吗？第一个使用广义相对论来描述允许时间旅行到过去的宇宙的人是库尔特·哥德尔，著名的不完备性定理的创造者，该定理限制了数学可以证明和不能证明的范围。他是20世纪最杰出的数学家之一——也是最古怪的人之一。他的许多怪癖包括吃婴儿食品和泻药。
哥德尔将这个宇宙模型作为礼物送给了他70岁生日的爱因斯坦。哥德尔向他持怀疑态度的朋友描述的宇宙有两个独特的性质。它在旋转，这提供了离心力，阻止了引力将宇宙中的所有物质挤压在一起，从而创造了爱因斯坦要求的任何宇宙模型的稳定性。但它也允许时间旅行到过去，这让爱因斯坦深感不安。在哥德尔的宇宙中，太空旅行者可以出发，最终到达他们自己过去的某个点，就好像旅行者完成了绕巨大圆柱体表面的环绕一样。物理学家将时空中的这些轨迹称为“封闭类时曲线”。
封闭类时曲线是时空中任何自环的路径。在哥德尔的旋转宇宙中，这样一条曲线将围绕整个宇宙循环，就像地球表面上的纬度线一样。物理学家已经构想出许多不同类型的封闭类时曲线，所有这些曲线都允许至少在理论上进行时间旅行到过去。然而，沿着其中任何一条曲线的旅程都将令人失望地普通。透过你的宇宙飞船舷窗，你会看到星星和行星——所有深空的常见景象。更重要的是，时间——以你自己的时钟测量——将以通常的方式向前走；即使你正在旅行到一个存在于你过去的某个时空位置，时钟的指针也不会开始倒转。
“早在1914年，爱因斯坦就已经意识到封闭类时曲线的可能性，”住在英国牛津附近的独立理论物理学家朱利安·巴伯说。正如巴伯回忆的那样，爱因斯坦说，“我的直觉最强烈地反对这一点。”曲线的存在会产生各种因果关系问题——如果过去已经发生，过去怎么能被改变呢？然后是古老的祖父悖论：如果时间旅行者在祖父遇到祖母之前杀死了祖父，会发生什么？这个精神错乱、现在没有父母的旅行者还会出生吗？
幸运的是，对于因果关系的爱好者来说，天文学家没有发现宇宙正在旋转的证据。哥德尔本人显然仔细研究了星系目录，寻找他的理论可能为真的线索。哥德尔可能没有设计出一个现实的宇宙模型，但他确实证明了封闭类时曲线与广义相对论方程完全一致。物理定律并没有排除回到过去的时间旅行。
一个恼人的可能性
在过去的几十年里，宇宙学家们使用爱因斯坦的方程构建了各种封闭类时曲线。哥德尔构想了一个允许它们的整个宇宙，但最近的爱好者们只是在我们宇宙的某些部分扭曲了时空。
在广义相对论中，行星、恒星、星系和其他大质量物体会扭曲时空。反过来，扭曲的时空会引导这些大质量物体的运动。正如已故物理学家约翰·惠勒所说，“时空告诉物质如何运动；物质告诉时空如何弯曲。”在极端情况下，时空可能会弯曲到足以创造一条从现在回到过去的路径。
物理学家已经提出了一些奇异的机制来创造这样的路径。在1991年的一篇论文中，戈特展示了宇宙弦——可能在早期宇宙中形成的、比原子还细的无限长结构——将如何在两条弦相交的地方允许封闭类时曲线。1983年，加州理工学院的物理学家基普·S·索恩开始探索一种称为虫洞的封闭类时曲线的可能性——虫洞是一种连接时空中两个不同位置的隧道——可能会允许时间旅行到过去。“在广义相对论中，如果你连接了两个不同的空间区域，你也连接了两个不同的时间区域，”索恩在加州理工学院的同事肖恩·M·卡罗尔说。
虫洞的入口将是球形的——一个进入时空中四维隧道的入口。正如所有封闭类时曲线的情况一样，穿越虫洞的旅程将“像任何其他旅程一样”，卡罗尔说。“你不会消失并在某个其他时间点被重新组装。没有任何体面的理论认为那种科幻时间旅行是可能的。”他补充说，对于所有旅行者，“无论他们做什么，时间都以每秒一秒的速度向前流逝。只是你当地版本的‘向前’可能在全球范围内与宇宙的其余部分不同步。”
尽管物理学家可以写出描述虫洞和其他封闭类时曲线的方程，但所有模型都存在严重问题。“仅仅为了首先得到一个虫洞，你需要负能量，”卡罗尔说。负能量是指空间体积中的能量自发波动到小于零。如果没有负能量，虫洞的球形入口和四维隧道会瞬间内爆。但是，由负能量支撑的虫洞“似乎很难，可能不可能”，卡罗尔说。“负能量在物理学中似乎是一件坏事。”
即使负能量保持虫洞开放，就在你即将把它变成时间机器的时候，“粒子会穿过虫洞移动，并且每个粒子都会无限次地循环回来，”卡罗尔说。“这会导致无限量的能量。”由于能量会使时空变形，整个东西会坍缩成一个黑洞——时空中一个无限密集的点。“我们不能百分之百确定这种情况会发生，”卡罗尔说。“但这似乎是一个合理的可能性，即宇宙实际上正在阻止你制造时间机器，而是制造了一个黑洞。”
与作为广义相对论自然结果的黑洞不同，虫洞和一般的封闭类时曲线是完全人为的构造——一种测试该理论边界的方法。“黑洞很难避免，”卡罗尔说。“封闭类时曲线非常难以制造。”
即使虫洞在物理上是不可信的，但它们符合广义相对论仍然意义重大。“我们已经非常接近排除时间旅行的可能性，但我们就是做不到，这非常奇怪。我也认为这很恼人，”卡罗尔说，他很恼火，爱因斯坦美丽的理论可能允许如此看似不可信的事情。但是，通过思考这种恼人的可能性，物理学家可能会更好地理解我们所居住的宇宙类型。而且，如果宇宙不允许回到过去的时间旅行，它可能永远不会存在。
宇宙创造了自己吗？
广义相对论描述了最大尺度上的宇宙。但量子力学提供了原子尺度的操作手册，它为封闭类时曲线提供了另一种可能的场所——一种涉及宇宙起源的场所。
“在非常小的尺度（10−30厘米）上，你可能会预期时空的拓扑结构会波动，如果没有任何基本的东西阻止它们，随机波动可能会给你带来封闭类时曲线，”威斯康星大学密尔沃基分校的物理学家约翰·弗里德曼说。这些量子涨落能否以某种方式被放大和利用作为时间机器？“当然没有正式的证明表明你不能拥有宏观的封闭类时曲线，”弗里德曼说。“但是研究过这些一般问题的人们会非常肯定地反对它。”
毫无疑问，在量子尺度或宇宙尺度上创建时空环路都需要一些非常极端的物理学。戈特说，最有可能出现极端物理学的地方是宇宙的最初。
1998年，戈特和现在在北京大学的天体物理学家李-新·李发表了一篇论文，他们在论文中认为，封闭类时曲线不仅是可能的，而且对于解释宇宙的起源至关重要。“我们研究了宇宙是否可以是自己的母亲的可能性——宇宙最初的时间循环是否允许宇宙创造自己，”戈特说。
正如标准的宇宙大爆炸理论一样，戈特和李的宇宙“开始于”暴胀，在暴胀中，一种普遍存在的能量场驱动了宇宙的初始膨胀。现在许多宇宙学家认为，暴胀除了我们自己的宇宙之外，还产生了无数其他的宇宙。“一旦暴胀开始，就很难阻止它，”戈特说。“它形成了一棵无限分支的树。我们是其中一个分支。但你必须问自己，树干是从哪里来的？李-新·李和我认为，可能是其中一个分支只是循环回来并成长为树干。”
戈特和李的自启动宇宙的简单二维草图看起来像数字“6”，底部是时空环路，顶部的主干是我们当今时代的宇宙。戈特和李推测，暴胀使宇宙能够从时间环路中逃脱，并膨胀成我们今天居住的宇宙。
这个模型很难理解，但戈特说，它的主要吸引力在于它消除了从虚无中创造宇宙的需要。然而，塔夫茨大学的亚历山大·维伦金、剑桥大学的斯蒂芬·霍金和加州大学圣巴巴拉分校的詹姆斯·哈特尔已经提出了宇宙确实从虚无中产生的模型。根据量子力学定律，空的空间并非真正空无一物，而是充满了自发地产生和消失的“虚粒子”。霍金和他的同事们推测，宇宙是从同样的量子真空汤中爆发出来的。但在戈特看来，宇宙不是由虚无构成的；它是由某种东西构成的——它自己。
宇宙象棋游戏
就目前而言，没有办法测试这些理论中的任何一个是否真的可以解释宇宙的起源。著名物理学家理查德·费曼将宇宙比作诸神正在下的一盘伟大的象棋。他说，科学家们试图在不知道规则的情况下理解这场游戏。我们看着诸神将一个兵向前移动一格，我们学到了一条规则：兵总是向前移动一格。但是，如果我们从未见过游戏的开局，当兵可以向前移动两格时，会怎么样呢？我们也可能会错误地假设，兵总是保持兵——它们永远不会改变它们的身份——直到我们看到一个兵变成后。
“你会说这违反了规则，”戈特说。“你不能把你的兵变成后。嗯，是的，你可以！你只是从未见过如此极端的比赛。时间旅行研究就像那样。我们正在通过观察极端条件来测试物理定律。回到过去的时间旅行在逻辑上并非不可能；只是它不是我们习惯的宇宙。”将兵变成后可能是相对论规则的一部分。
这些疯狂的推测性想法可能更接近哲学而非物理学。但就目前而言，量子力学和广义相对论——强大、违反直觉的理论——是我们理解宇宙的全部工具。“一旦人们开始尝试将量子理论和广义相对论结合起来，首先要说的是，他们真的不知道自己在做什么，”纽约大学的科学哲学家蒂姆·莫德林说。“这不是真正的严谨数学。它是一块看起来有点像广义相对论的数学，另一小块看起来有点像量子理论的数学，以某种并非完全连贯的方式混合在一起。但这就是人们必须做的，因为他们确实不知道如何以有意义的方式前进。”
未来的某个理论会消除时间旅行到过去的可能性吗？还是宇宙会再次变得比我们想象的更奇怪？自从爱因斯坦重新定义我们对时间的理解以来，物理学已经取得了巨大的进步。对于威尔斯来说，只存在于小说领域的时间旅行，现在已经成为一个被证实的现实，至少在一个方向上是这样。难道很难相信宇宙中存在某种对称性，允许我们回到过去的时间旅行吗？当我向戈特提出这个问题时，他用一个轶事回答
“有一个故事说，爱因斯坦在和一个家伙谈话。那家伙拿出一个笔记本，随便写了些东西。爱因斯坦说，‘那是什么？’那家伙说，‘一个笔记本。每当我有一个好主意，我就把它写下来。’爱因斯坦说，‘我从来不需要笔记本；我只有三个好主意。’”
戈特总结道：“我认为我们正在等待一个新的好主意。”