喬大海個人網站 https://qiaodahai.com/
——那或許不太容易，但是有可能是可行的
保羅·戴維斯 良忠譯自《科學美國人》2002年9月號
在時間中向未來旅行是足夠容易的。如果你接近於光速運動或者身處強大的引力場中，會感到時間 流逝得比其他人更緩慢——換句話說，你進入了他們的未來。
旅行到過去可需要相當的技巧。相對論允許這一旅行發生在特定的時空結構里：一個旋轉的宇宙， 一個旋轉的柱體，以及非常著名的蟲洞——一條貫穿空間和時間的隧道。
自從H. G. Wells於1895年撰寫了他的著名小說《時間機器》以來，時間旅行便成為一個流行的科幻小說主題。但是它真的能實現嗎？建造一台把人運送到過去或是未 來的機器是可能的嗎？
數十年來，時間旅行一直處於主流科學的邊緣。然而,近幾年內,該話題在一些理論物理學家中間 已成了個人的研究愛好。這一變化部分是出於娛樂消遣——想象時間旅行可是件趣事。但此項研究也有其嚴肅的一面。理解因果關係是嘗試建立一個統一的物理學理 論的關鍵部分。如果無限制的時間旅行是可能的，那麼在原則上，這樣一個統一理論的性質可能會受到極為嚴重的影響。
我們對時間最完善的理解來自Einstein的相對論。在這些理論誕生之前，時間被廣泛地認 為是絕對的和普遍的，不管人們的物理狀態如何，時間對於每個人都一樣。在Einstein狹義相對論中，他提出測量兩個事件的時間間隔取決於觀察者如何運 動。至關重要的是，運動狀態不同的兩名觀察者對於同樣的兩個事件將會體驗到不同的持續時間。
經常用“雙生子佯謬”描述的那個效應：假定Sally和Sam是雙胞胎，Sally搭乘一艘 飛船以高速駛向附近的一顆恆星去旅行，然後折返飛回地球，而Sam只呆在家裡。對於Sally而言，旅行大約持續了一年，但當她返回到地球並跨出宇宙飛船 時，她發現地球上已經過去了10年，現在她的兄弟比她大九歲。儘管他們在同一天出生，可是Sally和Sam是不再具有相同的年齡。這個例子說明了一類有 限的時間旅行。實際上，Sally已經跳躍到了九年後的地球的未來。
| 系統 | 詳細情況 | 累積的時間差 |
| 航空飛行 | 以920千米的時速飛行八小時 | 10毫微秒（相對於慣性參考系） |
| 核潛艇巡遊 | 在300米的深處呆六個月 | 500毫微秒（相對於海平面） |
| 宇宙射線中的自由中子 | 能量高達1018電子伏特 | 由15分鐘延長至30,000年 |
| 中子星 | 紅移度為0.2 | 時間膨脹了20%（相對於外太空 |
噴氣式飛機走慢了
被稱為時間膨脹的效應，總會發生於兩名作相對運動的觀測者之間。在日常生活中我們不會察覺到 奇異的時間撓曲（time wraps），因為只有當運動接近於光速時，這一效應才會變得顯著。即使以飛機的速度，在一次典型的旅行中的時間膨脹總計就僅僅幾納秒——還不夠完成一次 威爾斯式的冒險（此處應該指威爾斯的科幻小說《時間機器》中短暫的時間旅行——譯註），不過原子鐘有足夠的準確度來記錄此項變化並證實時間的確被運動延長 了。所以旅行到未來是一個已被證明的事實，即使迄今為止它只達到了如此無法令人激動的程度。
建造蟲洞型時間機器的三個不太簡單的步驟
1.尋找或建立一個蟲洞，開闢一個隧道用來連接太空中兩個不同的區域。大型蟲洞可能天然地存 在於外太空中，是宇宙大爆炸的遺留物。若事實並非如此，那我們只好湊合著使用比原子更小的蟲洞，它們或者是自然的產物（在我們周圍，每一瞬間都有這種小型 蟲洞誕生和消亡），或者是人造產品（就如此處圖中所示，它們由粒子加速器生產出來）。這些更小的蟲洞必須被擴大到實用的尺寸，也許要使用那些在宇宙大爆炸 不久之後導致空間膨脹的能量場。
2.使蟲洞穩定下來。注入利用所謂的Casimir效應由量子產生的負能量，蟲洞便允許信號 和物體安全地穿越它。負能量會抵制蟲洞坍縮為密度無窮大或接近無窮大的一點的趨勢。換句話說，它阻止了蟲洞演變成黑洞。
3.牽引蟲洞。一艘具有高度先進技術的太空船將蟲洞的入口互相分離開。一個入口可能被安置在 中子星表面，那是一顆擁有強大引力場、極度緻密的恆星。強烈的引力使得時間變慢。因為在蟲洞的另一個入口處，時間流逝得更快，結果這兩個入口不但在空間內 而且在時間上都被分離開了。
為了觀察真實而顯著的時間撓曲，一個人必須躍出通常的經驗領域。在大型加速器里,亞原子粒子 可以被加速到接近光速的程度。這些粒子中的一部分，例如μ介子，擁有一台內置的時鐘，因為它們以確定的半衰期發生衰變；根據Einstein的理論，觀測 到在加速器里高速運動的μ介子以慢動作衰變。一些宇宙射線也經歷了驚人的時間撓曲。這些粒子如此接近於光速運動着，以致依照它們的視角，在幾分鐘之內便能 穿過銀河系，縱然在地球的參照系中它們似乎花費了數萬年。如果時間膨脹沒發生過，那些粒子絕不會在這裡出現。
以高速運動是躍向未來的一種方式。引力則是另一種手段。在Einstein的廣義相對論中， 他預言引力可以減緩時間的流逝。與在地下室相比，鍾在頂樓上要走得快一些，在更接近於地心因而也更深入於引力場的情況下，這一現象將愈加顯著。類似地，鍾 在太空里比在地面上走得更快。儘管這一效應微乎其微，但它已被精確的時鐘直接測得。的確，在全球定位系統中必須考慮到這些時間撓曲效應。如果他們沒有考慮 到這一點，海員、出租車司機和巡航導彈將會發現自己偏離出規定軌道有許多公里。
中子星表面的引力是如此強大，以致時間的流逝速度與地球上相比大約減緩了30%。在這樣一顆 恆星上進行觀察，事件看起來就像是快進的錄像。黑洞代表了時間翹曲的極致；在該天體的表面，時間相對於地球來說是停滯的。這意味着，倘若你從附近落入黑 洞，在你到達其表面所花費的短暫的時間內，廣闊的宇宙已經歷了無限長的時期。因此，就黑洞外部的宇宙而言，黑洞內部是時間終結的區域。如果一名宇航員可以 急速地移動，他能夠十分靠近黑洞並且安然無恙地返回——沒有人不覺得這是富於幻想的，它的魯莽也就別提了，至於前景嘛——他可以躍進遙遠的未來。
我的頭正在旋轉
到現在為止，我已經討論了在時間中朝未來旅行的情況。那麼逆行又會怎樣呢？這可要成問題得 多。1948年，新澤西州普林斯頓高級研究所的Kurt Gabriel提出了愛因斯坦引力場方程的一個描述旋轉宇宙的解。在這個宇宙中，一名宇航員可以在太空中旅行來實現回到過去的目的。這是引力影響了光的結 果。宇宙的旋轉導致光（因而也包括事物之間的因果聯繫）被拽住並環繞在它的內部，這使得一個處於封閉環內的實物可以在空間的閉環中移動，同時也在時間的閉 環中旅行，而任何時候都不會相對鄰近的粒子超光速。Gabriel的解釋被當作數學上的奇談而束之高閣——畢竟，沒有觀測跡象表明宇宙作為整體在旋轉。他 的計算結果不過是證明了在時間中逆行並不違背相對論。的確，愛因斯坦表示他曾為自己的理論可能在某些情況下允許回到過去的想法而感到困惑。
其他一些允許回到過去的猜想也已被發現。例如，在1974年，Tulane大學的Frank J. Tipler計算了一個巨大的無限長旋轉柱體，在它的軸線處，宇航員們能夠接近於光速拜訪到自己的過去，即拽曳柱面附近的光線形成環狀。1991年，普林 斯頓大學的J. Richard Gott預言了宇宙弦——宇宙學家設想它的結構是在宇宙大爆炸早期產生的——能產生相似的結果。但是20世紀80年代中期所湧現的最逼真的時間機器劇本， 是基於蟲洞的概念構想出來的。
在科幻小說中，蟲洞有時被稱作星門；它們提供一條貫通空間中彼此相距很遠的兩點之間的捷徑。 跳過一個假想的蟲洞，你可能會在片刻之後出現於銀河系的另一端。蟲洞自然地符合廣義相對論，憑藉引力，不僅可以使空間彎曲，而且還能讓時間發生扭曲。理論 允許連接空間中的兩點的可選路徑和隧道這樣的東西的存在。數學家提出了多重連結的空間形式。正像穿越山底的隧道要比山表面的道路更短一樣，蟲洞可能也要比 貫穿於普通空間的尋常路線來得更短。
卡爾·薩根在其1985年的小說《接觸》中，就利用了蟲洞作為一個虛構的裝置。在薩根的提議 下，Kip S. Thorne和他在加州理工學院的同事們着手去考察蟲洞是否與已知的物理學一致。他們的出發點是蟲洞作為一個與黑洞一樣具有可怕引力的物體。但與黑洞不同 的是，後者只提供一次沒有目的地的單程旅行，而蟲洞將同時擁有一個出口和一個入口。
在環內
由於蟲洞是可穿越的，它必定包含了Thorne所說的奇異物質。實際上，這是某種能產生反重 力效果來抵制一個大規模系統因其自身強大的重力而被壓入黑洞的自然趨勢的物質。反重力，或是萬有斥力，能夠由負能量或負壓力產生。眾所周知，負能量狀態存 在於特定的量子系統中，它表明Thorne的奇異物質並不被物理學定律所禁止，儘管目前尚不清楚，是否能收集到足夠多的抗重力材料以穩定一個蟲洞。】[參 見《負能量，蟲洞和時空彎曲行駛》，Lawrence H. Ford 和Thoms A. Roman，《科學美國人》，2000年1月號 ]。
不久Thorne和他的同事們認識到如果穩定的蟲洞能夠被製造出來，那麼它很容易轉變為一台 時間機器。一名穿越蟲洞的宇航員也許不僅能出現在宇宙的某處，而且還會處於某一時期，也就是——在未來或者是過去。
為了使蟲洞適合於時間旅行，它其中的一個洞口應被引到一顆中子星那裡，並安置在接近中子星表 面的地方。恆星的引力會減緩蟲洞洞口附近的時間流逝，這使得蟲洞兩端之間的時間差逐漸積累起來。如果兩個端口都放置在空間中合適的地方，那麼時間差將保持 凍結狀態。
假設這一差值是10年。一名宇航員從一個方向穿越蟲洞，他將跳到10年後的未來，反之，宇航員若是從另一方向穿越蟲洞，他將跳到10年前的過去。第二位宇航員以高速穿過平常的太空，回到出發點，他也許先於出發之前就回到家了。換句話說，空間中的 封閉環可能會演變為時間中的環。一個限制是宇航員不能回到首次建立蟲洞以前的那段時期。
一項可怕的難題是最初創生的蟲洞將會阻礙蟲洞型時間機器的製造。也許空間由這麼一類結構自然地串連成一體——宇宙大爆炸的遺留物。如果是這樣的話，一個超級文明大概能使用一個蟲洞。或許，蟲洞是在極小尺度上（所謂的普朗克長度，大約是原子核尺度 的10-20那麼小）天然生成的。原則上，這樣一個微小的蟲洞可由脈衝能量來穩定，然後再以某種方式膨脹到可以利用的尺寸。
審查！
假如工程上的諸多難題都被克服了，時間機器的生產將會打開因果佯謬的潘多拉魔盒。例如，一個時間旅行者到訪過去，謀殺了還是一個年輕女孩的母親。我們如何弄明白這種事情意味着什麼？如果這個女孩死了，她就不能成為時間旅行者的母親。但倘若這名時 間旅行者從未出現過，他就不能回到過去並謀殺自己的母親。
著名的母親佯謬（左圖）及其解決的方法（右圖）
著名的母親佯謬（有時會用其他的家庭親屬關係來系統地闡述）是由於人們或物體能夠在時間中逆 行並改變過去時所引發的。一個簡化的版本是以彈珠為例。一顆彈珠穿過了蟲洞型時間機器，隨後便會擊中處於更早時候的自身，從而永遠阻止它進入蟲洞。
佯謬的解決方案源於一個簡單的認識：彈珠不能違背邏輯或違反物理學定律行事。它當然不能以阻 止自己的方式去穿越蟲洞，但沒有任何東西會制止彈珠以其他無限多的方式穿過蟲洞。
當時間旅行者試圖改變過去，這類明顯不可能的佯謬就會出現。但那並不阻止某人成為過去的一部 分。假定時間旅行者回到過去並從謀殺中拯救了一個年輕女孩，這個女孩長大後成了他的母親。那麼因果環節現在便是自洽的，不再自相矛盾了。因果一致性可能強 行限制了時間旅行者所能做的事，但這並不排除時間旅行本身。
即使時間旅行不是嚴格地自相矛盾，它依然是不可思議的。仔細設想這麼一位時間旅行者，他跳躍 到一年後，讀取了《科學美國人》未來版本上最新的數學定理。他記下了其中的細節，回到自己所處的時代，並把這一定理教授給一名學生，就是這名學生日後為 《科學美國人》撰寫了文章。這篇文章當然正是那位時間旅行者所讀到的。接着問題出現了：關於這則定理的信息來自何處？不是源於時間旅行者，因為他只是個讀 者，但也不是來自那名學生，後者可是從前者那裡學到了定理。信息似乎無緣無故驀地就出現了。
時間旅行異乎尋常的推論致使一些科學家徹底拒絕這一想法。劍橋大學的史蒂芬·霍金提出一個 “年代學保護猜想”，這將宣布因果環的失效。眾所周知，由於相對論容許因果環存在，年代學保護需要引入某一其他因素進行調解，以防止旅行到過去的情況發 生。這一因素可能是什麼呢？一個提議是量子過程會解決這項難題。時間機器的存在將允許粒子循環進入它們的過去。計算結果暗示了隨即發生的擾動將會自行增 強，從中造成能量逃逸的浪涌可導致蟲洞崩潰。
年代學保護仍不過是個猜想而已，因此時間旅行依然保留其可能性。解決事情的一個最終方案必須 期待量子力學和引力的成功結合，也許要藉助弦理論或它的擴展理論，即所謂的M理論。我們甚至可以想象下一代粒子加速器將能生成比亞原子尺度的蟲洞，它們能 存在足夠長的時間，使得附近的粒子能夠執行轉瞬即逝的因果環。這要比威爾斯對於時間機器的想象深遠得多，它將永遠改變我們的物理實在圖景。
來源: 三思科學報道