自从H. G. 威尔斯在1895年写出他著名的科幻小说《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？是否有可能制造出一台可以把人送回过去或未来的机器？
几十年来，时间旅行一直处于受人尊敬的科学边缘。然而，近年来，这个话题在理论物理学家中已经成为一种小型产业。其动机部分是娱乐性的——思考时间旅行是很有趣的。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。如果即使在原则上不受限制的时间旅行是可能的，这种统一理论的性质可能会受到极大的影响。
我们对时间的最佳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，无论他们的物理状况如何，对每个人都是一样的。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，两个运动方式不同的观察者将在相同的两个事件之间经历不同的持续时间。
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这种效应通常用双生子悖论来描述。假设莎莉和山姆是双胞胎。莎莉登上了一艘火箭飞船，高速飞往附近的一颗恒星，然后转身飞回地球，而山姆则待在家里。对莎莉来说，这段旅程的持续时间可能是一年，但当她返回并走出飞船时，她发现地球上已经过去了10年。她的哥哥现在比她大九岁。尽管莎莉和山姆出生在同一天，但他们不再是同一年龄了。这个例子说明了一种有限的时间旅行。实际上，莎莉已经跳跃到了地球的未来九年。
时差
这种效应，被称为时间膨胀，发生在两个观察者彼此相对运动时。在日常生活中，我们不会注意到奇怪的时间扭曲，因为只有当运动接近光速时，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纳秒——几乎不是威尔斯式冒险的程度。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，前往未来是已被证明的事实，即使到目前为止它还是以相当不刺激的量存在的。
要观察到真正显著的时间扭曲，人们必须超越普通经验的领域。亚原子粒子可以在大型加速器机器中以接近光速的速度推进。其中一些粒子，例如μ子，具有内置时钟，因为它们以确定的半衰期衰变；根据爱因斯坦的理论，观察到加速器内部快速运动的μ子以慢动作衰变。一些宇宙射线也会经历壮观的时间扭曲。这些粒子的运动非常接近光速，以至于从它们的角度来看，它们在几分钟内穿过星系，即使在地球的参考系中，它们似乎需要数万年。如果时间膨胀没有发生，那些粒子将永远无法到达这里。
速度是跳跃到未来的方法之一。引力是另一种。在广义相对论中，爱因斯坦预测引力会减慢时间。在阁楼里的时钟比在地下室里的时钟走得快一些，地下室更靠近地球中心，因此更深入引力场。同样，太空中的时钟比地面上的时钟走得快。这种效应再次微乎其微，但已经使用精确的时钟直接测量过。事实上，这些时间扭曲效应必须在全球定位系统中加以考虑。如果不是这样，水手、出租车司机和巡航导弹可能会发现自己偏离航线许多公里。
在中子星表面，引力非常强，时间相对于地球时间减慢了大约30%。从这样一颗恒星的角度来看，这里的事件会像快进的视频。黑洞代表着终极的时间扭曲；在黑洞表面，时间相对于地球静止。这意味着，如果你从附近掉进黑洞，在你到达表面的短暂间隔内，在更广阔的宇宙中，永恒的时间将流逝。因此，就外部宇宙而言，黑洞内部的区域超出了时间的尽头。如果宇航员可以非常靠近黑洞并毫发无损地返回——诚然，这是一个虚构的，更不用说冒失的，前景——他可以跳跃到遥远的未来。
我的头在晕
到目前为止，我一直在讨论前往未来。那么回到过去呢？这更成问题。1948年，新泽西州普林斯顿高级研究所的库尔特·哥德尔提出了爱因斯坦引力场方程的一个解，描述了一个旋转的宇宙。在这个宇宙中，宇航员可以通过空间旅行到达他自己的过去。这是因为引力影响光的方式造成的。宇宙的旋转会拖动光（因此也会拖动物体之间的因果关系）随之旋转，从而使物质物体可以在空间中以闭环形式移动，这也在时间上形成了闭环，而不会在粒子的直接邻域内的任何阶段超过光速。哥德尔的解决方案被视为数学上的好奇心——毕竟，观察结果并没有表明宇宙整体在旋转。然而，他的结果表明，相对论并没有禁止回到过去。事实上，爱因斯坦承认，他的理论在某些情况下可能允许前往过去的想法困扰着他。
在科幻小说中，虫洞有时被称为星门；它们提供了空间中两个遥远点之间的捷径。跳过一个假设的虫洞，你可能会在稍后在银河系的另一端出现。虫洞自然适合广义相对论，由此引力不仅扭曲时间，还扭曲空间。该理论允许连接空间中两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重连通空间。正如穿过山下的隧道可以比地面街道更短一样，虫洞可能比通过普通空间的通常路线更短。
卡尔·萨根在他1985年出版的小说《接触》中使用了虫洞作为虚构的工具。在萨根的提示下，加州理工学院的基普·S·索恩和他的同事们着手寻找虫洞是否与已知的物理学相一致。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。但是，与黑洞提供前往无处的可怕单程旅程不同，虫洞会有出口和入口。
在循环中
为了让虫洞可以穿越，它必须包含索恩所说的奇异物质。实际上，这是一种可以产生反引力的物质，以对抗大规模系统在其强烈的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。已知在某些量子系统中存在负能量状态，这表明物理定律并未排除索恩的奇异物质，尽管尚不清楚是否可以组装足够的反引力物质来稳定虫洞。
不久，索恩和他的同事意识到，如果可以创建一个稳定的虫洞，那么就可以很容易地将其变成时间机器。一个穿过虫洞的宇航员可能会不仅出现在宇宙中的其他地方，而且还会在其他时间出现——无论是过去还是未来。
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上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，从而使虫洞末端之间的时间差逐渐累积。如果两个虫洞口随后都停在空间中的一个方便的位置，则此时间差将保持冻结。
假设差异为10年。一个朝一个方向穿过虫洞的宇航员会跳到未来10年，而另一个朝相反方向穿过的宇航员会跳到过去10年。通过以高速穿过普通空间返回其起点，第二个宇航员可能会在他离开之前回到家中。换句话说，空间中的闭环也可能成为时间上的环。唯一的限制是，宇航员不能回到虫洞首次建立之前的时间。
制造虫洞时间机器的一个巨大问题是首先要创建虫洞。也许空间中自然地存在着这样的结构——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，虫洞可能会以微小的尺度自然产生，即所谓的普朗克长度，大约是原子核的20倍10倍小。原则上，这样的微小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。
被审查！
假设工程问题可以被克服，时间机器的生产可能会打开一个充满因果悖论的潘多拉魔盒。例如，考虑一位时间旅行者回到过去并谋杀了他年轻时的母亲。我们如何理解这一点？如果这个女孩死了，她就不能成为时间旅行者的母亲。但是，如果时间旅行者从未出生，他就无法回到过去并谋杀他的母亲。
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。假设时间旅行者回到过去并从谋杀中救出一个年轻女孩，而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能够做什么，但它并不排除时间旅行本身。
即使时间旅行不是严格的悖论，它也肯定是奇怪的。考虑一下这样一位时间旅行者，他向前跳了一年，并在未来版的《大众科学》中读到关于一个新数学定理的文章。他记下细节，回到他自己的时代，并将该定理教给一位学生，然后这位学生将其写成文章发表在《大众科学》上。这篇文章当然是时间旅行者读过的那篇。那么问题来了：关于这个定理的信息从哪里来的？不是来自时间旅行者，因为他只是读过它，也不是来自学生，因为他从时间旅行者那里学到了它。这些信息似乎无缘无故地凭空出现。
时间旅行的奇异后果导致一些科学家彻底否定了这个概念。剑桥大学的斯蒂芬·霍金提出了一个时间顺序保护猜想，该猜想将禁止因果循环。由于已知相对论允许因果循环，时间顺序保护将需要其他因素介入以防止回到过去旅行。这个因素可能是什么？一种建议是量子过程会来救援。时间机器的存在将允许粒子循环回到自己的过去。计算结果暗示，由此产生的扰动将变得自我增强，产生失控的能量激增，从而破坏虫洞。
时间顺序保护仍然只是一个猜想，因此时间旅行仍然是一种可能性。这个问题的最终解决可能需要等到量子力学和引力的成功结合，也许是通过弦理论或其扩展，即所谓的M理论。甚至可以想象，下一代粒子加速器将能够创建亚原子虫洞，这些虫洞可以存活足够长的时间，以便附近的粒子执行短暂的因果循环。这与威尔斯的时光机器的愿景相去甚远，但它将永远改变我们对物理现实的看法。
作者
保罗·戴维斯是亚利桑那州立大学超越：科学基本概念中心的主任。他是一位理论物理学家和宇宙学家，同时也从事天体生物学领域的研究。他是物理学领域最多产的通俗读物作家之一。他的科学研究兴趣包括黑洞、量子场论、意识的本质以及生命的起源和进化。