本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点。
去年，我与理论物理学家阿龙·沃尔讨论了量子引力的热力学。这句话听起来出奇地优美：短短四个字，就概括了现代科学中最深刻的三个领域。它们的结合有望解答诸如时间之箭和时间到底是什么之类的谜团。在阅读沃尔的一篇论文时，我了解到热力学可能最终会解决时间机器是否可行的问题。所以我邀请他为我们描述他的想法。沃尔是加州大学圣巴巴拉分校的博士后，他有自己的博客Undivided Looking，对这篇文章的讨论将继续在那里进行；他说他很乐意回答您可能有的任何问题。——乔治·穆瑟
我们都看过那些电影，有人回到过去并试图改变某些事情（经典的“祖父悖论”：如果你回到过去并试图杀死你的祖父会发生什么？）。有时，这种尝试会导致新的时间线，一切都变得不同，只有时间旅行者记得过去的样子。在更脆弱的宇宙中，除非勇敢的英雄将一切恢复原状，否则这个悖论可能会摧毁整个时空连续体。但我最喜欢的是作家们足够聪明，能够想象出一个单一的、连贯的时间线，其中一切都说得通。
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这是我们在现实世界中需要担心的事情吗？假设有人试图在实验室里建造一台时间机器。是否存在某种自然法则会阻止他们这样做？理论家们已经争论这个问题几十年了，但最近我提出了一个基于热力学第二定律的论点，该论点将排除时间机器的可能性。
在现代物理学中，实际上并不明显不能建造时间机器。原因来自我们最好的引力理论，广义相对论。爱因斯坦表明，物质会导致空间和时间的扭曲。例如，在地球表面附近，时间比外太空慢，大约慢十亿分之一。（这实际上是物体掉落的原因。）十亿分之一并不算多；换句话说，地球的引力场相当弱。但在中子星和其他非常巨大的物体附近，存在更强的引力场。最极端的例子涉及黑洞，那里的引力场非常强，甚至光也无法逃脱——如果光线太靠近并落入事件视界（不归路点）之内。
真的有可能强大的引力场会如此扭曲时间，以至于通过引导你的宇宙飞船沿着正确的轨迹，最终遇到过去的自己吗？物理学家将这种情况称为闭合类时曲线（CTC）。“曲线”是指时空中的轨迹。“类时”这个词表示曲线的速度不快于光速，因此物理物体（如宇宙飞船）原则上可以沿着它前进。“闭合”只是意味着曲线在较早的点再次与自身相遇。
建造时间机器的一种可能策略是从寻找或构建可穿越的虫洞开始。“虫洞”（你可能从各种科幻故事中听说过）是穿越空间的隧道，它连接两个非常遥远的区域（见上图艺术家的构想）。它有两个端点（你可以想象它们大致呈球形），通过称为“喉部”的空间管连接在一起。如果你可以驾驶宇宙飞船穿过它到达另一边，那么它是“可穿越的”——科幻小说中的虫洞几乎总是可穿越的。
实际上，在广义相对论中，构建看起来像虫洞的数学解相当容易。事实上，如果你取描述永恒、不变黑洞外部引力场的方程，并将它们外推到事件视界内部，你会发现黑洞实际上是通往另一个宇宙的门户。困难的部分是保持这个门户开放足够长的时间以便通过。在普通黑洞的情况下，虫洞喉部坍塌得非常快，以至于你会撞到中间的奇点而死亡。
但假设你克服了这个问题，并弄清楚了如何在我们的宇宙的两个部分之间建造一个可穿越的虫洞。然后你可能会将虫洞的两端拉得更近。假设一端在地球上，另一端在轨道上。宇航员使用它通勤到空间站去完成他们的日常工作，并在晚饭前及时赶回家。请记住，地球上的时间流逝得更慢。这意味着虫洞的一端比另一端在时间中旅行得更快。时间差会累积。宇航员会开始注意到，从地球前往太空的人到达的时间会比他们离开的时间稍早一些。在虫洞放置到位一年左右后，就会开始出现闭合类时曲线。最终，宇航员将能够跳入虫洞，并将无线电信号及时发送回给早期的自己！一名宇航员可能会在上午 9:00 从虫洞的地球端进入，并在上午 8:59 到达空间站。然后她可以向自己在地球上的自己发送无线电信号，告诉自己不必去上班，从而造成一个潜在的麻烦情况，比如祖父悖论。
对于世界各地的祖父们来说幸运的是，广义相对论中有一个定理表明，除非你使用负能量来保持虫洞开放，否则虫洞永远无法穿越。为了理解原因，想象一下从不同角度向虫洞的一端发送一束光。光最初是收缩的；光线越来越靠近。但是当光线从另一端弹出并彼此辐射开来时，它们正在膨胀。这意味着虫洞中的引力场导致光线散焦，或彼此弯曲远离。但是正常的、正能量的物质，具有吸引力，总是导致光线聚焦。要将虫洞保持在一起，你需要某种具有负能量的反引力物质。这将非常奇怪，因为正常的物体总是具有正质量，因此（根据 E=mc2）具有正能量。
斯蒂芬·霍金的一个定理指出，如果你有一个最初没有任何时间机器的时空，那么除非你拥有负能量，否则你永远无法建造时间机器。因此，谜团似乎已经解开了。只要自然界中的所有物体都具有正能量，时间机器就不可能存在。只有一个小问题，那就是这个前提不成立。
除了广义相对论之外，我们关于宇宙的另一个最佳理论是量子力学。事实证明，如果你研究量子力学性质，例如电磁场，你可以制造负能量。一个经典的例子是卡西米尔效应，它已经在实验室中被实验测量。如果你取两个导电板并将它们非常靠近，这些板会以某种方式影响它们之间的真空空间，从而产生负能量密度。诚然，板之间间隙中的负能量远小于板本身中的正能量密度。但是，任何负能量的存在都会使诸如霍金的定理之类的依赖于能量在任何地方都是正的定理失效。
问题是，即使在量子情况下，是否仍然存在一些替代原则。在我自己的工作中，我提出存在这样一个原则，它与热力学第二定律有关。你可能还记得，这就是自然法则，它说你不能制造永动机；自然界中存在一些过程是不可逆转的。从技术上讲，物理学家定义了一个称为熵的量来衡量宇宙在给定时刻的混乱程度。热力学第二定律指出，随着时间的推移，这个量总是增加的。
甚至黑洞也遵守热力学第二定律的一个版本。它们的熵被证明与事件视界的面积成正比。换句话说，黑洞的面积，加上其外部任何物质的熵，总是随着时间推移而增加。热力学第二定律的这种表述，由雅各布·贝肯斯坦和斯蒂芬·霍金发现，被称为广义第二定律（GSL）。在我的博士论文研究中，我用数学方法证明了广义第二定律在广泛的情况下是成立的。
但这里有一个重要的点：你不需要黑洞来讨论视界的热力学。同样的原理适用于任何观察者。如果某些区域永远超出那个人的视线，那么这些区域就位于观察者自己的个人视界之后。不需要黑洞。例如，如果你登上宇宙飞船并加速，那么只要你有足够的提前量，一些光线将永远无法追上你。它们位于你自己的个人视界之后。这种类型的视界称为林德勒视界。
类似的事情发生在宇宙学中。宇宙的膨胀随着时间的推移而加速。这意味着，如果另一个星系足够遥远，我们将永远无法看到它，无论我们等待多久。这被称为宇宙学视界或德西特视界。在你生命的每一瞬间，你都在跨越一个视界，就像一些足够遥远的行星上的外星人看到的那样！
但这里有一个惊人的事情。所有这些类型的视界也像黑洞一样遵守热力学第二定律。视界以更主观的方式定义并不重要。仍然是这样的情况：它们的面积，加上观察者可以看到的任何事物的熵，都随着时间的推移而增加。广义第二定律仍然适用。
而这足以排除时间机器的可能性。假设你可以制造一个具有 CTC 的时空。闭合类时曲线本身会有一个视界。为了理解原因，考虑一下如果你沿着 CTC 的路径会看到什么。你把自己绑在太空舱里，穿越太空到达虫洞口，并穿过虫洞返回到你原来的地点和时间。你再次开始旅程，并永远循环下去。（这种情况有很多复杂之处，但让我们忽略它们，因为我们只是使用“观察者”的概念来说明 CTC 轨迹的行为。）
现在假设其他人——比如，星际广告公司——试图从遥远的行星向你发送无线电信号。当他们的信号向你移动时，它会前进到越来越晚的时间（就像大多数事物一样）。它开始的地方越远，广告到达的时间就越晚。另一方面，你不断地重复经历相同的时刻。因此，如果星际广告公司从足够远的地方开始发送信号，它的广告将永远无法到达你。这意味着存在一个视界，将可以及时到达你的地方与无法到达你的地方分隔开来。
我在左边画了一张这个场景的图片。它显示了一个包含 CTC 的宇宙的时空图。光以 45 度角传播。想象一下，两条蓝色狭缝是一个可穿越虫洞的两端。CTC 是红色曲线。弯曲的部分是你穿越时空到达虫洞口的旅程；虚线表示你穿过虫洞返回到你原来位置的通道。黑色锥体代表视界，将可以向 CTC 发送信号的点与不能发送信号的点分隔开来。较早的绿色信号能够到达 CTC，而较晚的信号则不能。在早期，视界有一个大的且正在缩小的面积。
视界（这只是 CTC 可以看到的边界）甚至在 CTC 形成之前就存在。在非常早期的时刻，视界将是一个以光速收缩的巨大球体。由于它正在缩小，所以它的熵也在缩小。为了保持广义第二定律（GSL）成立，某些其他物质系统的熵必须增加。问题是熵的总减少量实际上是无限的，没有什么可以弥补这一点。因此，时间机器会违反广义第二定律。
因此我们了解到，广义第二定律（GSL）禁止时间机器。实际上，它非常严格，以至于也禁止许多其他事物。你不能拥有可穿越的虫洞（即使是那些不是时间机器的虫洞），因为穿过虫洞的轨迹具有面积减小的视界。由于类似的原因，你也不能制造曲速引擎。对于科幻迷们，我很抱歉给你们的梦想泼冷水，但事情似乎就是这样。
你也可以使用广义第二定律（GSL）来证明时间必须在黑洞内部的奇点处结束，并且必须在大爆炸时开始。否则，就会有观察者的视界不满足广义第二定律。诚然，没有人真正理解奇点附近的物理定律，因此我研究的这一部分是推测性的，并且取决于哪些类型的新物理学可能相关。可以想象，即使广义第二定律在我们迄今为止能够检查的所有情况下都有效，但在奇点附近它是错误的。但我不会为此打赌。毕竟，总得有什么东西使杀死你的祖父成为不可能。
虫洞图：乔治·穆瑟；时空图：阿龙·沃尔