自 H. G. 威尔斯在 1895 年写出他的著名小说《时间机器》以来，时间旅行一直是流行的科幻主题。 但它真的能实现吗？是否有可能建造一台可以将人类输送到过去或未来的机器？
几十年来，时间旅行一直处于体面科学的边缘。然而，近年来，这个话题在理论物理学家中已成为一种小型产业。动机部分是出于娱乐——思考时间旅行很有趣。但这项研究也有严肃的一面。理解因果关系是构建统一物理理论的关键部分。如果不受限制的时间旅行是可能的，即使只是在理论上，这种统一理论的性质也会受到极大的影响。
我们对时间最好的理解来自爱因斯坦的相对论。在这些理论出现之前，时间被广泛认为是绝对的和普遍的，对每个人来说都是一样的，无论他们的物理环境如何。在他的狭义相对论中，爱因斯坦提出，两个事件之间测量的间隔取决于观察者的运动方式。至关重要的是，两个移动方式不同的观察者将体验到相同的两个事件之间不同的持续时间。
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这种效应通常用双生子悖论来描述。假设莎莉和萨姆是双胞胎。莎莉登上火箭飞船，高速飞往附近的一颗恒星，然后掉头飞回地球，而萨姆则待在家里。对于莎莉来说，旅程的持续时间可能是一年，但当她返回并走出宇宙飞船时，她发现地球上已经过去了 10 年。她的哥哥现在比她大九岁。莎莉和萨姆不再是同龄人，尽管他们是同一天出生的。这个例子说明了一种有限类型的时间旅行。实际上，莎莉已经跳入了地球未来的九年。
时差
这种效应，被称为时间膨胀，发生在两个观察者相对于彼此移动时。在日常生活中，我们没有注意到奇怪的时间扭曲，因为只有当运动发生在接近光速时，这种效应才会变得显著。即使在飞机速度下，典型旅程中的时间膨胀也只有几个纳秒——这几乎不是威尔斯式的冒险。然而，原子钟足够精确，可以记录这种变化，并证实时间确实因运动而延长。因此，前往未来是一个被证明的事实，即使到目前为止，它的量相当令人兴奋。
要观察到真正显著的时间扭曲，就必须超越普通经验的范围。亚原子粒子可以在大型加速器中以接近光速的速度推进。其中一些粒子，例如 μ 子，具有内置的时钟，因为它们以确定的半衰期衰变；根据爱因斯坦的理论，在加速器内快速移动的 μ 子被观察到以慢动作衰变。一些宇宙射线也经历惊人的时间扭曲。这些粒子移动速度非常接近光速，以至于从它们的角度来看，它们在几分钟内穿过星系，尽管从这样的恒星来看，这里的事件会类似于快进的视频。黑洞代表了最终的时间扭曲；在黑洞表面，相对于地球，时间静止不动。这意味着，如果你从附近掉进黑洞，在你到达表面的短暂时间内，整个宇宙的永恒时光都会流逝。因此，就外部宇宙而言，黑洞内部的区域已超越时间的尽头。如果一名宇航员能够非常接近黑洞并毫发无损地返回——不可否认的是一个异想天开，更不用说鲁莽的前景——他可以跳到遥远的未来。
我的脑袋在旋转
到目前为止，我一直在讨论时间前进的旅行。那么回到过去呢？这更加成问题。1948 年，新泽西州普林斯顿高等研究院的库尔特·哥德尔提出了爱因斯坦引力场方程的一个解，该解描述了一个旋转的宇宙。在这个宇宙中，宇航员可以通过太空旅行到达自己的过去。这是因为引力影响光的方式。宇宙的旋转会拖动光（以及物体之间的因果关系）随之旋转，使得一个物质物体可以在空间中以闭环方式行进，同时在时间上也是一个闭环，而不会在粒子的直接邻域的任何阶段超过光速。哥德尔的解决方案被认为是数学上的好奇心——毕竟，观测结果没有显示宇宙整体在旋转的迹象。然而，他的结果证明了相对论并未禁止回到过去。事实上，爱因斯坦承认，他很担心他的理论可能在某些情况下允许回到过去旅行。
人们发现其他情景也允许回到过去旅行。例如，1974 年，杜兰大学的弗兰克·J·蒂普勒计算出，一个以接近光速的速度在其轴上旋转的巨大、无限长的圆柱体可以让宇航员回到自己的过去，再次通过将光拖动到圆柱体周围的环路中。1991 年，普林斯顿大学的 J·理查德·戈特预测，宇宙弦——宇宙学家认为是在大爆炸早期阶段产生的结构——可能会产生类似的结果。但在 20 世纪 80 年代中期，基于虫洞概念的时间机器最真实的情景出现了。
在科幻小说中，虫洞有时被称为星门；它们提供了太空中两个相距遥远的点之间的捷径。跳过一个假设的虫洞，你可能会在几秒钟后到达银河系的另一边。虫洞自然地符合广义相对论，广义相对论认为引力不仅会扭曲时间，还会扭曲空间。该理论允许连接太空中两个点的替代道路和隧道路线的类比。数学家将这样的空间称为多连通空间。正如穿过山丘的隧道可能比地面的街道短一样，虫洞可能比穿过普通空间的通常路线短。
卡尔·萨根在他 1985 年的小说《接触》中将虫洞用作虚构的设备。在萨根的提示下，加州理工学院的基普·S·索恩和他的同事们开始寻找虫洞是否与已知的物理学相符。他们的出发点是虫洞会像黑洞一样，是一个具有可怕引力的物体。但与只提供通往未知之地的单程旅行的黑洞不同，虫洞既有入口也有出口。
在环路中
为了使虫洞可以穿越，它必须包含索恩所说的奇异物质。实际上，这是会产生反引力的东西，以对抗巨大系统在其强烈重量下坍缩成黑洞的自然趋势。反引力，或引力排斥，可以由负能量或压力产生。已知负能量状态存在于某些量子系统中，这表明索恩的奇异物质并没有被物理定律排除在外，尽管尚不清楚是否可以组装足够多的反引力物质来稳定虫洞 [参见劳伦斯·H·福特和托马斯·A·罗曼的《负能量、虫洞和翘曲驱动》；《大众科学》，2000 年 1 月]。
很快，索恩和他的同事们意识到，如果可以创建一个稳定的虫洞，那么它可以很容易地变成时间机器。穿过一个虫洞的宇航员可能不仅会出现在宇宙中的其他地方，还会出现在其他时间——在未来或过去。
为了使虫洞适应时间旅行，可以将虫洞的一个口拖到中子星并放置在其表面附近。恒星的引力会减慢该虫洞口附近的时间，从而使虫洞两端之间的时间差逐渐累积。如果随后将两个口都停在太空中方便的位置，则此时间差将保持冻结。
假设差异是 10 年。一个朝一个方向穿过虫洞的宇航员将跳入 10 年后的未来，而一个朝另一个方向穿过的宇航员将跳入 10 年前的过去。通过高速穿越普通空间返回他的起点，第二位宇航员可能会在他离开之前回到家。换句话说，空间中的闭环也可能成为时间中的环路。唯一的限制是宇航员不能回到虫洞首次建造之前的时间。
制造虫洞时间机器的一个巨大问题是首先创建虫洞。可能太空自然地遍布这种结构——大爆炸的遗迹。如果是这样，一个超级文明可能会征用一个。或者，虫洞可能会在微小的尺度上自然产生，即所谓的普朗克长度，大约比原子核小 20 个 10 的因子。原则上，这种微小的虫洞可以通过能量脉冲来稳定，然后以某种方式膨胀到可用的尺寸。
审查！
假设可以克服工程问题，时间机器的生产可能会打开因果悖论的潘多拉魔盒。例如，考虑一下访问过去并谋杀了她小时候的母亲的时间旅行者。我们如何理解这一点？如果这个女孩死了，她就不可能成为时间旅行者的母亲。但如果时间旅行者从未出生，他就无法回去谋杀他的母亲。
当时间旅行者试图改变过去时，就会出现这种悖论，这显然是不可能的。但这并不能阻止某人成为过去的一部分。假设时间旅行者回去并从谋杀中救出一个年轻女孩，这个女孩长大后成为他的母亲。因果循环现在是自洽的，不再是悖论。因果一致性可能会限制时间旅行者的行为，但它并不会排除时间旅行本身。
时间旅行带来的离奇后果让一些科学家直接否定了这一概念。剑桥大学的斯蒂芬·W·霍金提出了一个时间保护猜想，该猜想会禁止因果循环。由于已知相对论允许因果循环，时间保护将需要其他因素介入以阻止回到过去。这个因素可能是什么呢？一种建议是量子过程会来解救。时间机器的存在将允许粒子循环进入它们自己的过去。计算表明，随之而来的扰动将自我增强，产生失控的能量激增，从而摧毁虫洞。
时间保护仍然只是一个猜想，因此时间旅行仍然是一种可能性。对这个问题的最终解决可能要等到量子力学和引力的成功结合，或许是通过诸如弦理论或其扩展——所谓的M理论。甚至可以想象，下一代粒子加速器将能够创造出亚原子虫洞，这些虫洞能够存活足够长的时间，让附近的粒子执行短暂的因果循环。这与威尔斯的时间机器愿景相去甚远，但它将永远改变我们对物理现实的看法。
作者
保罗·戴维斯 是一位理论物理学家，也是悉尼麦考瑞大学澳大利亚天体生物学中心的自然哲学教授。他是最多产的科普物理书籍作家之一。他的科学研究兴趣包括黑洞、量子场论、宇宙的起源、意识的本质和生命的起源。