如何建造时间机器

自H. G. 威尔斯在1895年创作了他的著名小说《时间机器》以来，时间旅行一直是流行的科幻主题。但这真的能实现吗？是否有可能建造一台机器，将人类运送到过去或未来？

几十年来，时间旅行一直处于受人尊敬的科学的边缘。然而，近年来，这个话题已成为理论物理学家之间的一种家庭手工业。动机部分是娱乐性的——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物理学统一理论的关键部分。如果不受限制的时间旅行在原则上是可能的，那么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阿尔伯特·爱因斯坦的相对论。在这些理论之前，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，无论他们的身体状况如何。在他的狭义相对论中，爱因斯坦提出，两次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，两个运动不同的观察者将体验到相同两次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。假设萨莉和山姆是双胞胎。萨莉登上火箭飞船，以高速飞往附近的恒星，然后掉头飞回地球，而山姆则待在家里。对于萨莉来说，旅程的持续时间可能是一年，但是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。她的兄弟现在比她大九岁。萨莉和山姆不再是同龄人，尽管他们出生在同一天。这个例子说明了一种有限的时间旅行。实际上，萨莉已经跳跃了九年进入地球的未来。

时差

这种效应被称为时间膨胀，每当两个观察者相对于彼此移动时就会发生。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，这种效应才会变得引人注目。即使在飞机速度下，典型旅程中的时间膨胀也仅为几纳秒——几乎不是威尔斯式比例的冒险。然而，原子钟足够精确，可以记录这种偏移并证实时间确实因运动而延长。因此，即使到目前为止，进入未来的旅行实际上已经被证明，即使它一直是相当乏味的。

要观察真正引人注目的时间扭曲，人们必须超越普通经验的范围。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，观察到加速器内快速移动的μ子以慢动作衰变。一些宇宙射线也经历了壮观的时间扭曲。这些粒子的运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，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，这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。重力是另一种方法。在他的广义相对论中，爱因斯坦预测重力会减慢时间。阁楼里的时钟比地下室里的时钟走得快一点，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更快。再一次，这种效应是微小的，但已经使用精确的时钟直接测量出来。实际上，在全球定位系统中必须考虑这些时间扭曲效应。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数公里。

在中子星表面，重力非常强，以至于时间相对于地球时间减慢了约30％。从这样的恒星上看，这里的事件就像快进的视频。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不动。这意味着，如果您从附近掉入黑洞，在您到达表面的短暂时间内，整个宇宙的永恒都会流逝。因此，对于外部宇宙而言，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安然无恙地返回——诚然这是一个异想天开，更不用说愚蠢的前景——他可以跳跃到遥远的未来。

我的头晕了

到目前为止，我已经讨论了向前的时间旅行。那么向后走呢？这要困难得多。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。这源于重力影响光的方式。宇宙的旋转会拖曳光（以及物体之间的因果关系）随之旋转，使物质物体能够在空间中以闭环形式运动，这也是时间上的闭环，而不会在粒子的直接邻域中超过光速。哥德尔的解决方案被认为是数学上的好奇心——毕竟，观测结果表明宇宙作为一个整体并没有旋转的迹象。尽管如此，他的结果还是证明了相对论并没有禁止回到过去。实际上，爱因斯坦承认，他为他的理论在某些情况下可能允许时间旅行的想法而感到困扰。

人们已经发现了其他允许时间旅行的场景。例如，1974年，杜兰大学的弗兰克·J·蒂普勒计算出，一个巨大的、无限长的圆柱体以接近光速的速度绕其轴旋转，可以让宇航员访问自己的过去，再次通过将光拖曳到圆柱体周围形成环路。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。然后在1980年代中期，基于虫洞概念，出现了最现实的时间机器场景。

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，您可能会在片刻之后出现在银河系的另一端。虫洞自然而然地融入了广义相对论，根据该理论，重力不仅扭曲时间，还扭曲空间。该理论允许连接空间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以比地面街道短一样，虫洞可能比通过普通空间的常用路线短。

卡尔·萨根在他的1985年小说《接触》中将虫洞用作虚构的装置。在萨根的提示下，加州理工学院的基普·S·索恩和他的同事着手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，成为具有可怕重力的物体。然而，与黑洞不同，黑洞提供的是通往虚无的单程旅程，虫洞将既有入口也有出口。

在环路中

为了使虫洞可穿越，它必须包含索恩所谓的奇异物质。实际上，这是一种会产生反重力的东西，以对抗质量庞大的系统在其巨大重量下内爆成黑洞的自然趋势。反重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未被物理定律排除，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。

很快，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。穿过其中一个虫洞口的宇航员不仅可能出现在宇宙中的其他地方，而且也可能出现在其他时间——无论是在未来还是过去。

为了使虫洞适应时间旅行，可以将其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，因此虫洞两端之间的时间差将逐渐累积。如果然后将两个口都停放在太空中的便利位置，则该时间差将保持冻结状态。

假设差异为10年。以一个方向穿过虫洞的宇航员将跳跃10年进入未来，而以另一个方向穿过的宇航员将跳跃10年进入过去。通过以高速穿过普通空间返回其起点，第二位宇航员可能会在他离开之前返回家园。换句话说，空间中的闭环也可能成为时间上的环路。唯一的限制是宇航员无法返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障碍是首先创建虫洞。可能太空自然而然地充满了这种结构——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，虫洞可能会自然而然地以微小的尺度出现，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，可以通过能量脉冲来稳定这种微小的虫洞，然后以某种方式将其膨胀到可用的尺寸。

被审查！

假设工程问题可以克服，时间机器的生产可能会打开因果悖论的潘多拉魔盒。例如，考虑一下时间旅行者访问过去并在她年轻时谋杀了他的母亲。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，从谋杀中救出一个年轻女孩，而这个女孩长大后成为了他的母亲。因果循环现在是自洽的，不再是悖论。因果一致性可能会对时间旅行者能够做什么施加限制，但它并没有排除时间旅行本身。

即使时间旅行并非严格来说是悖论，但它肯定很奇怪。考虑一下时间旅行者跳跃到未来一年，并在未来版的《大众科学》中读到关于新数学定理的文章。他记下细节，返回自己的时代，并将该定理教给一个学生，然后该学生将其写成《大众科学》的文章。当然，这篇文章正是时间旅行者读到的那篇。然后出现的问题是：关于该定理的信息从何而来？不是来自时间旅行者，因为他读过它，也不是来自学生，因为学生是从时间旅行者那里学到的。信息似乎凭空出现，毫无道理。

时间旅行的奇异后果导致一些科学家彻底拒绝了这一概念。剑桥大学的史蒂芬·霍金提出了“时序保护猜想”，该猜想将禁止因果循环。由于已知相对论允许因果循环，因此时序保护将需要其他因素进行干预以防止回到过去。这个因素可能是什么？一种建议是量子过程将前来救援。时间机器的存在将允许粒子循环回到自己的过去。计算表明，随之而来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。对该问题的最终解决可能必须等待量子力学和引力的成功统一，也许是通过诸如弦理论或其扩展，即所谓的M理论之类的理论。甚至可以想象，下一代粒子加速器——或者可能是日内瓦附近欧洲核子研究中心的现有大型强子对撞机——将能够产生足够强大的亚原子碰撞来撕裂时空本身，从而产生足够长的虫洞，以供附近的粒子执行短暂的因果循环。这将与威尔斯对时间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。