第二章 二等不可思议 12.时间旅行
12.时间旅行
如果时间旅行可能，那么来自未来的游客在哪里？
——史蒂芬·霍金
“（时间旅行）有违理性。”菲尔比（Filby）说。
“理由呢？”时间旅行者说。
——H.G.威尔斯
在小说《亚努斯方程》（Janus Equation）中，作者G.斯普瑞尔（G.Spruill）探索了一个时间旅行引起的令人痛心的问题。在这个故事中，一位以发现时间旅行为目标的杰出数学家遇见了一位不寻常的美丽女子，他们成了情侣，尽管他对她的过去一无所知。他开始对调査她的真实身份兴致勃勃。最终，他发现她曾经接受过整容手术改变自己的容貌，并且曾经做过变性手术。最后，他发现“她”其实是一位来自未来的时间旅行者，“她”其实就是他自己，但来自未来。这意味着他和自己做了爱。令人好奇的是，如果他们生育了一个孩子会怎样呢？如果这个孩子回到了过去，长大后成了故事开头的数学家，那么成为自己的母亲和父亲和儿子和女儿就是可能的了？
改变过去
时间是宇宙中最大的谜团之一。我们都被时间的河流推动前行，有违自己的意愿。大约在公元前400年，圣奥古斯丁（Saint Augustine）就时间自相矛盾的本质进行了广泛的写作：“当过去不再是过去，而未来尚未成为未来，过去和未来怎能成真？至于现在，如果永远处于现在，而永不向前使之成为过去，那它就不再是时间，而成为永恒。”如果我们将圣奥古斯丁的逻辑推进一步，我们会发现时间不可能是真实的。因为过去已经流逝，未来尚不存在，而现在只能存在片刻。（圣奥古斯丁因此对于时间将如何影响上帝提出了意味深长的神学疑问。“如果上帝是万能的”，他写道，“那么他受到时间流逝的约束吗？换句话说，上帝会像我们凡人一样，由于害怕赴约迟到而不得不匆忙赶路吗？”圣奥古斯丁最后得出结论，上帝是万能的，因而不可能被时间所支配，并且因此必须是存在于“时间之外”。尽管存在于时间之外的概念似乎很荒谬，但它却是现代物理学中反复出现的构想，正如我们将看到的那样。）
就像圣奥古斯丁那样，我们都在某个时候对于时间的古怪本质以及它如何区别于空间感到好奇。如果我们可以在空间中前后运动，为什么在时间中不能呢？我们也都想知道在我们寿命结束后的年月，未来会是什么面貌。人类的生命有限，但我们对在自己离去后会发生什么却又极为好奇。
尽管我们进行时间旅行的渴望或许就如人类历史一样古老，但似乎首篇关于时何旅行的故事是在1733年由塞缪尔·麦登（Samuel Madden）所写的《20世纪大事记》（Memoirs of the Twentieth Century），关于一位来自1997年的天使跨越了250年到了过去，目的是将描述未来世界的文件交给一位英国大使。
这样的故事还有很多。1838年的匿名写作的短篇小说《误车：时光倒错》（Missing One’s Coach : An Anachronism）内容是关于一个等候马车的人突然发现自己身处1000年前。他遇见一位来自古老隐修院的僧侣，并且试着向对方解说在之后1000年中历史将会如何发展，然后，他发现自己如先前一般被不可思议地送回了当前，不同的是他已经错过了马车。
连査尔斯·狄更斯（Charles Dickens）1843年的小说《圣诞颂歌》（A Christmas Carol）也是某种意义上的时间旅行故事，因为埃比尼泽·斯克鲁奇（Ebenezer Scrooge）被带到了过去和未来，目睹了从前的世界和他死后的世界。
在美国文学中，时间旅行首次出现在马克·吐温1889年的小说《亚瑟王朝廷上的康涅狄格美国佬》（A Connecticut Yankeein King Arthur’s Court）中。一位19世纪的美国佬被拖回了时间之中，最后出现在公元前528年亚瑟王的朝廷上。他被投入牢狱，即将被绑在火刑柱上烧死，但他随机宣布他有将太阳抹去的能力，因为他知道就在那一天会发生一次日食。当太阳被遮蔽，暴民们大为惊恐，同意释放他，并向他承诺好处，作为将太阳归还的交换。
但是首部严肃尝试时间旅行的小说是H.G.威尔斯的经典之作《时间机器》（The Time Machine），在小说中主人公被送到了几百年后的未来。在那遥远的未来，人类本身由于基因分成了两个种族《险恶的莫洛克斯（Moorlocks），他们维护着沾满污垢的地下机器；以及百无一用的、孩子气的艾洛伊（Eloi），他们在地上世界跳舞，永远都意识不到自己可怕的命运（被莫洛克斯吃掉）。
在此之后，时间旅行已经成为科幻作品的常见特色，从《星舰迷航》到《回到未来》。在《超人I》中，当超人得知路易斯·莱恩（Lois Lane）已经死去后，他不顾一切地决定让时光倒流，他让自己绕着地球极速飞行，比光速更快，直到时间本身倒转。地球减慢速度，停止，最终向着相反的方向自转，直到地球上所有的钟都向后倒走。洪水迅速后退，破裂的大堤奇迹般地自我修复，路易斯·莱恩从死亡的国度回来了。
从科学的角度来看，时间旅行在牛顿的宇宙中是不可能的。在牛顿的宇宙中，时间被视作一支箭，一旦射出就永远不能向后折回，地球上的一秒钟在整个宇宙中都是一秒钟，这一构想被爱因斯坦推翻，他证明时间更像是一条蜿蜒过宇宙的河流，在恒星和星系中蛇形而过时其流速会加快或减慢，因此，地球上的一秒钟并不是绝对的，当我们在宇宙各处旅行时，时间各不相同。
就像我早先探讨的那样，根据爱因斯坦的狭义相对论，火箭移动越快，它内部的时间流逝越慢。科幻作家们推测，如果能打破光障就能回到过去。但这是不可能的，因为要达到光速必须具有无穷大的质量，光速是所有火箭的终极障碍。《星舰迷航IV:抢救未来》中，“企业号”的船员劫持了一艘克林贡宇宙飞船，并且用它绕着太阳转圈飞行，就像个弹弓一样打破了光障，到达了20世纪60年代的旧金山。但这违反了物理定律。
但是，去未来的时间旅行是可能的，并且已经被用实验证明了数百万次。《时间机器》的主人公去往遥远未来的旅程其实在物理学上是可能的。比如说，如果一位宇航员以接近光速的速度移动，假定他会花费1分钟到达最近的恒星，地球上的时间已经流逝了4年，但是对他而言仅仅过去了1分钟，因为火箭内部时间会减速流逝。因此，根据地球上已经经历的，他就已经旅行到了未来的4年之后（我们的宇航员每次进入太空时其实都短暂地进入了未来。当他们在地球上空以每小时18000英里的速度移动时，他们的时钟比地球上的时钟走得稍稍慢一点。因此，在国际空间站执行1年的任务之后，他们返回地球时其实进入了不到1秒之后的未来。进入未来的世界纪录目前由俄罗斯宇航员瑟杰·阿达耶夫[Sergei Avdeyev]保持，他在太空中渡过了748天，并因此到达了0.02秒之后的未来）。
因此，能将我们带到未来的时间机器符合爱因斯坦的狭义相对论。但是回到过去呢？
如果我们能够回到过去，历史就不可能写就了。一旦历史学家记录了过去的历史，就有人可以回到过去并改写它。时间机器不但会使历史学家失业，还能使我们随心所欲地更改时间的进程。例如，我们回到恐龙的时代，并且偶然地踩到了某个碰巧是我们祖先的哺乳动物，或许我们会意外地消灭整个人类。当来自未来的游客搅黄历史事件，并且尝试寻找最佳拍照角度的时候，历史将成为一部没完没了、颠三倒四的《巨蟒小组》（Monty Python）剧集。
时间旅行：物理学家的游乐场
或许在黑洞和时间机器的密集数学方程方面最为闻名的人是宇宙学家史蒂芬·霍金。不同于其他早早就以数学物理受人注目的学习相对论的学生，霍金年轻时其实不是个优秀的学生。他显然极为聪明，但他的老师们常常会注意到他没有将精力集中在学习上，并且从来不发挥他的全部潜力。但是转折点在1962年到来了，在从牛津毕业后，他开始注意到ALS（肌萎缩侧索硬化症，amyotrophic lateral sclerosis，又称葛雷克氏症）的症状。他被自己患有这一运动神经元上的不治之症的消息惊呆了，这病将剥夺他的所有运动功能，并可能很快致他死命。最初这一消息令他极为难过，如果自己无论如何都会很快死去，获得PHD学位又有何用呢？
但当他熬过了最初的震惊，他有生以来第一次集中了精神。他意识到自己没有多长时间可以活了，开始猛攻广义相对论中某些最困难的问题。在20世纪70年代早期，他发表了一系列里程碑式的论文，证明爱因斯坦理论中的“奇点”（singularity，在这个位置引力场变得无穷大，比如黑洞的中心和在宇宙大爆炸的瞬间）是相对论不可或缺的一部分，并且无法轻易摒除（就像爱因斯坦所认为的那样）。在1974年，霍金还证明了黑洞并不完全是黑的，而是逐渐放射出辐射，现在这被称为“霍金辐射”，因为辐射连黑洞的引力场都能穿透。这篇论文是量子理论在相对论上的第一次重要应用，并且是他最著名的研究成果。
正如所料，ALS慢慢使他的手、腿和声带瘫痪，但速度比医生最初预计的慢得多。因此，他已经经历了许多普通人的人生重大事件，成为三个孩子的父亲（他现在是一位祖父了），在1991年与第一任妻子离婚，四年后娶了他的语音合成器制造者的妻子，并在2006年申请与第二任妻子离婚。在2007年，他登上喷气飞机进行无重力飞行，实现毕生心愿的消息被大为宣扬。他的下一目标是升入太空。
如今他几乎完全瘫痪在轮椅中，通过眼睛的活动与外界交流。然而，尽管身患难以忍受的残疾，他仍旧能开玩笑、写论文、作演讲，并且参加论战。他依靠移动双眼就比那些能够完全控制自己躯体的整队科学家更多产（他在剑桥大学的同事，女王任命的皇家天文学家马丁·瑞斯爵士曾经向我吐露，霍金的残疾的确妨碍了他进行保持自己研究领域内顶尖地位所需要的单调计算。因此，他转而集中精力提出新颖的思想，而不是完成困难的运算，这可以由他的学生来做）。
1990年，霍金读了同事的一篇论文，那上面提出了一种类型的时间机器，他立刻产生了怀疑。他的习惯告诉他，时间旅行是不可能的，因为不存在来自未来的旅行者。如果时间旅行就如星期天在公园里野餐一样常见，那么来自未来的时间旅行者应当会举着相机纠缠我们，要求我们为他们的相片集摆姿势。
霍金还向全世界的物理学家提出了一项挑战。他宣布，应当有一条定律使时间旅行不可能实现，他提出了“时序保护猜想”以从物理定律上禁止时间旅行，以“为历史学们保障历史的安全”。
然而，令人宭迫的是，无论物理学家们多么努力地尝试都无法找出一条不允许时间旅行的定律。看起来时间旅行似乎符合已知的物理定律。由于无法找出任何禁止时间旅行的物理定律，霍金最近改变了主意。他说的“时间旅行或许可行，但是它不实际”，在伦敦的报纸上被大肆报道。
时间旅行一度被认为是边缘科学，突然间却成了理论物理学家们的游乐场。加州理工学院的物理学家基普·索恩写道：“时间旅行曾经仅仅是科幻作家们的领地。严肃的科学家对其像躲避瘟疫一般唯恐避之不及——哪怕是在用笔名写小说或是私下里阅读的时候。时代真是变了！现在能够在严肃科学期刊上发现关于时间旅行的学术性分析，出自著名的理论物理学家之手……为什么会发生这样的改变？因为我们物理学家已经意识到时间的本质是一个极为重要的议题，不能仅仅被遗落在科幻作家手中。”
所有这些混乱与兴奋的原因是，爱因斯坦的方程允许很多种时间机器存在（然而，它们是否能经得起量子理论的挑战仍不确定）。在爱因斯坦的理论中，事实上我们常常遇到某种叫“封闭式类时间曲线”（closed time-like curves）的东西，它是允许回到过去的时间旅行路径的专业术语。如果我们沿着一条封闭式类时间曲线的路径前进，我们将踏上一次旅程，并且回到我们出发之前的时间里来。
第一种时间机器包含了一个虫洞。爱因斯坦方程有许多解连接了空间中两个相距遥远的点。但是由于空间和时间在爱因斯坦的理论中密不可分地相互纠结，这同一个虫洞也可以连接时间中的两个点。掉入虫洞，你可以（至少在数学上）游历到过去。可以想象，你随后能够回到开始的那一刻，并且遇到离去之前的你自己。但是，正如我们在之前的章节中所提到的，穿过一个黑洞中心的虫洞是一次单程旅行。如物理学家理查德·戈特（Richard Gott）所说的：“我不认为一个人在黑洞中回到过去的时光会存在什么疑问，问题是他是否还能重新出现，夸耀他的经历。”
另一种时间机器包括一个旋转的宇宙。1949年，数学家科特·哥德尔发现了第一个包含时间旅行的爱因斯坦方程的解。假如宇宙旋转的话，那么如果你在宇宙中以足够快的速度移动，你或许会发现自己身处过去，并且到达了自己出发之前的时间。因此，一次环绕宇宙的旅行也是一次回到过去的旅行。当天文学家们拜访高级研究所的时候，哥德尔常会问他们是否找到了宇宙在旋转的证据，当他们告诉他有清楚的证据表明宇宙在膨胀，但是宇宙的净转动可能是零，他很失望（否则，时间旅行或许会很平常，历史会像我们所了解的那样崩溃）。
第三，如果你绕着一根无限长的、旋转的圆柱走，你可能同样会发现自己回到了自己离开之前（这个解是由W.J.范斯托克姆[W.J. van Stockum]在1936年发现的，早于哥德尔的时间旅行解，但范斯托克姆看来没有意识到他的解允许时间旅行）。既然如此，如果你在五月节绕着一根旋转的五月柱跳舞，你或许会发现自己身处四月（然而，这一方案的问题在于圆柱必须是无限长的，并且旋转的非常快，以致于大多数材料会被飞甩出去）。
最近的时间旅行例子由普林斯顿的理査德·戈特在1991年发现。他的解是以发现巨大的宇宙弦（可能是最初的大爆炸的残存物）为根据的。他假设有两根大型宇宙弦几乎要相撞。如果快速绕这两根快要相撞的宇宙弦移动，你将回到过去。这种类型的时间机器优势在于不需要无限长的圆柱、旋转的宇宙或者黑洞（然而，这一方案的问题在于必须先找到漂浮于太空中的巨大宇宙弦，随后使它们以精确的方式相撞。回到过去的可能性只能持续一段短暂的时间），戈特说：“一根收缩回路大到需要你用上一年，绕它一圈的弦质量-能量必须超过整个星系的一半。”
但是，时间机器最有前景的方案是前一章中提到过的“可穿越的虫洞”，一个时空中的洞，在其中人可以自由地在时间中前进和后退。理论上说，可穿越虫洞不仅能提供超光速旅行，还可以提供时间旅行。可穿越虫洞的关键是负能量。
—个可穿越虫洞时间机器将由两个房间组成，每个房间由两个分开一小段距离的同心球体组成。使外侧的球体向内聚爆，两个球体会制造卡西米尔效应，并因此产生负能量。假设一个III型文明能够将这两个房间用一个虫洞连接起来（可能从时空泡沫中获取一个）。随后，将第一个房间以近光速送入太空。那个房间里的时间会减慢，这样两个时钟就不再同步了。两个房间内的时间以不同的速度流逝，而它们由一个虫洞相连。
如果身处第二个房间内，你可以立即穿过虫洞到达第一个房间，那里的时间比较早。这样你就回到了过去。
这一方案面临难以克服的问题。虫洞可能会很小，比一个原子还小得多。金属板可能必须向内收紧到普朗克长度的距离，以制造足够的负能量。最后，你只能够回到时间机器被制造的时间点。在那之前，两个房间的时间流逝速度是相同的。
悖论和时间谜题
时间旅行提出了各种问题，既有技术性的也有社会性的。拉瑞·戴维尔（Larry Dwyer）提出了伦理、法律和道德上的议题，他记录道：“一个挥拳殴打年轻的自己（或者情况相反）的时间旅行者应该被控袭击吗？谋杀他人后逃回过去寻求庇护的时间旅行者应当在过去为他在未来所犯下的罪行受审吗？如果他在过去结了婚，他应当为重婚受审吗？即使他的另一个妻子在差不多接下来5000年里都不会出生。”
但最尖锐的问题或许是由时间旅行引起的逻辑悖论。比如，如果我们在自己出生之前杀死了自己的父母会怎样？这在逻辑上是不可能的，它有时被称为“祖父悖论”（grandfather paradox）。
解决这些悖论有三种方法。第一种，或许你在回到过去的时候只是简单地重复历史，因此就使过去实现了。这样的话，你就不具有自由意志。你被迫如已经记录的那样完成过去。这样，如果你回到过去，将时间旅行的秘密告诉了年轻的自己，那么事情就是注定要如此发生的。时间旅行的秘密来自未来。这是命运（但这没有告诉我们最初的想法来自哪里）。
第二种，你具有自由意志，因此你可以改变过去，但在一定限度之内。你的自由意志无法制造出时间悖论。每当你试着在自己出生前杀死自己的父母，就会有一股神秘的力量阻止你达到目的。这种方式被俄罗斯物理学家伊戈尔·诺维科夫（Igor Novikov）大为提倡（他辩称，有一条物理定律使我们无法在天花板上行走，尽管我们或许想这么做。因此，或许有一条物理定律使我们无法在自己出生前杀死自己的父母。某条古怪的定律妨碍我们达到目的）。
第三，宇宙分裂为两个宇宙。在其中一条时间轴上，你杀死的人仅仅是看上去像你的父母，但他们不是你的父母，因为你正处于一个平行宇宙中。最后的这种方式似乎是唯一符合量子理论的，如同我将在后一章讨论多元宇宙的时候所提到的那样。
第二种可能在影片《终结者3》（Terminator 3）中获得了探索。影片中阿诺德·施瓦辛格（Arnold Schwarzenegger）扮演一个来自未来的机器人。在那里，凶残的机器人已经接管了一切。寥寥无几的幸存人类像动物一般被机器穷追不舍，由一位伟大的领袖领导，机器人无法杀死他。机器人对此深感不满，派出一系列机器人杀手回到伟大领袖出生之前，去杀死他的母亲。但是，在史诗般的战斗之后，人类文明最终在电影末尾被摧毁了，就如它命中注定的那样。
《回到未来》探索了第三种方式。布朗（Brown）博士发明了一辆以钚为燃料的德罗宁（DeLorean）汽车，它其实是一台可以回到过去的时间机器。迈克尔·福克斯（Michael J.Fox）（饰演马蒂·麦克弗莱）进入了机器，并且回到过去，遇见了自己青少年时期的母亲，随后他们坠入了爱河。这提出了一个难题：如果马蒂·麦克弗莱的母亲拒绝了他的父亲，那么他们就不会结婚，而迈克尔·J.福克斯扮演的角色将永远不会出生。
布朗博士略微澄清了这一问题。他走向黑板，画了一条水平线，代表我们的宇宙的时间轴。随后他又画了第二条线，从第一条线分叉出来，代表当你改变过去时一个打开的平行宇宙。这样，毎当我们回到时间的河流中，河流就会分叉为两股，一根时间轴变成两根时间轴，或者它被称作“多世界”（many worlds）方法，我们将在下一章中进行讨论。
这表示所有的时间旅行悖论都可以解决。如果你在自己出生前杀死了自己的父母，这仅仅表示你杀死了某两个在基因上与你父母完全相同的人，并与你的父母有着相同的记忆和性格，伹他们不是你真正的父母。
“多世界”概念解决了时间旅行的至少一个主要问题。对物理学家来说，时间旅行（除找到负能量之外）所受到的最大非议在于辐射效应会逐渐增强，最后要么你在进入机器的瞬间被杀死，要么虫洞在你身上崩塌。辐射效应会增强是因为任何进入时间之门的辐射都会被送回过去，它最后会在宇宙中游荡，直至它到达现在，随后再次落入虫洞，由于辐射能无数次进出虫洞入口，虫洞内部的辐射能强到不可思议——强烈得足以杀死你，但是“多世界”解释解决了这个问题。如果辐射进入时间机器，并且被送往过去，那么它会进入一个新的宇宙，它无法一次、一次又一次地重复进入时间机器。这明确地意味着有无数个宇宙，每个宇宙一个循环，每个循环只有一道辐射，而不是无限量的辐射。
在1997年，当三位物理学家证明霍金禁止时间旅行的方案有先天缺陷时，这一讨论有点被解释清楚了。伯纳德·凯（Bernard Kay）、马瑞克·莱迪兹科斯基（Marek Radzikowski）和罗伯特·沃尔德（Robert Wald）证明，时间旅行符合所有已知的物理定律，除了一处。在时间中旅行时，所有可能出现的问题都集中在视界上（位置靠近虫洞的入口）。但是视界恰好位于我们预计爱因斯坦理论失灵、而量子理论开始生效的位置。问题在于，每当我们试图计算进入一台时间机器时的辐射效应，我们都不得不使用一种将爱因斯坦广义相对论和辐射的量子理论相结合的理论。但是，每当我们天真地试图结合这两种理论，得到的理论都是毫无意义的：它产生一系列无限的答案，而这些答案没有意义。
这是一种万物至理开始起作用的位置。困扰物理学家的穿越虫洞旅行的一切问题（比如，虫洞的稳定性、可能杀死人的辐射以及进入虫洞时虫洞会闭合）都集中于视界，那正是爱因斯坦理论失去意义的地方。
因此，理解时间旅行的关键在于理解关于视界的物理，只有一种万物至理才能解释它。这就是为什么如今的大多数物理学家认同明确解决时间旅行问题的唯一方法就是提出一种引力和时空的完整理论。
万物至理会联合宇宙的四种力，并且使我们能够估计出当我们进入一台时间机器时会发生的情况。只有一种万物至理才能成功计算出一个虫洞所制造的全部辐射效应，并且肯定地解决当我们进入时间机器时虫洞的稳定性问题。即便如此，我们可能还必须等上几个世纪甚至更久，才能等到一台机器来测试这些理论。
由于时间旅行的原理与关于虫洞的物理联系极为紧密，时间旅行似乎符合“二等不可思议”的要求。
【注释】
《巨蟒小组》（Monty Python），一个英国电视电影制作小组，以BBC电视喜剧节目《巨蟒小组的飞行马戏团》（Monty Python’s Fiying Circus）崭露头角，出品了一系列影视作品，风格荒诞、幽默、超现实。——译者注
如果时间旅行可能，那么来自未来的游客在哪里？
——史蒂芬·霍金
“（时间旅行）有违理性。”菲尔比（Filby）说。
“理由呢？”时间旅行者说。
——H.G.威尔斯
在小说《亚努斯方程》（Janus Equation）中，作者G.斯普瑞尔（G.Spruill）探索了一个时间旅行引起的令人痛心的问题。在这个故事中，一位以发现时间旅行为目标的杰出数学家遇见了一位不寻常的美丽女子，他们成了情侣，尽管他对她的过去一无所知。他开始对调査她的真实身份兴致勃勃。最终，他发现她曾经接受过整容手术改变自己的容貌，并且曾经做过变性手术。最后，他发现“她”其实是一位来自未来的时间旅行者，“她”其实就是他自己，但来自未来。这意味着他和自己做了爱。令人好奇的是，如果他们生育了一个孩子会怎样呢？如果这个孩子回到了过去，长大后成了故事开头的数学家，那么成为自己的母亲和父亲和儿子和女儿就是可能的了？
改变过去
时间是宇宙中最大的谜团之一。我们都被时间的河流推动前行，有违自己的意愿。大约在公元前400年，圣奥古斯丁（Saint Augustine）就时间自相矛盾的本质进行了广泛的写作：“当过去不再是过去，而未来尚未成为未来，过去和未来怎能成真？至于现在，如果永远处于现在，而永不向前使之成为过去，那它就不再是时间，而成为永恒。”如果我们将圣奥古斯丁的逻辑推进一步，我们会发现时间不可能是真实的。因为过去已经流逝，未来尚不存在，而现在只能存在片刻。（圣奥古斯丁因此对于时间将如何影响上帝提出了意味深长的神学疑问。“如果上帝是万能的”，他写道，“那么他受到时间流逝的约束吗？换句话说，上帝会像我们凡人一样，由于害怕赴约迟到而不得不匆忙赶路吗？”圣奥古斯丁最后得出结论，上帝是万能的，因而不可能被时间所支配，并且因此必须是存在于“时间之外”。尽管存在于时间之外的概念似乎很荒谬，但它却是现代物理学中反复出现的构想，正如我们将看到的那样。）
就像圣奥古斯丁那样，我们都在某个时候对于时间的古怪本质以及它如何区别于空间感到好奇。如果我们可以在空间中前后运动，为什么在时间中不能呢？我们也都想知道在我们寿命结束后的年月，未来会是什么面貌。人类的生命有限，但我们对在自己离去后会发生什么却又极为好奇。
尽管我们进行时间旅行的渴望或许就如人类历史一样古老，但似乎首篇关于时何旅行的故事是在1733年由塞缪尔·麦登（Samuel Madden）所写的《20世纪大事记》（Memoirs of the Twentieth Century），关于一位来自1997年的天使跨越了250年到了过去，目的是将描述未来世界的文件交给一位英国大使。
这样的故事还有很多。1838年的匿名写作的短篇小说《误车：时光倒错》（Missing One’s Coach : An Anachronism）内容是关于一个等候马车的人突然发现自己身处1000年前。他遇见一位来自古老隐修院的僧侣，并且试着向对方解说在之后1000年中历史将会如何发展，然后，他发现自己如先前一般被不可思议地送回了当前，不同的是他已经错过了马车。
连査尔斯·狄更斯（Charles Dickens）1843年的小说《圣诞颂歌》（A Christmas Carol）也是某种意义上的时间旅行故事，因为埃比尼泽·斯克鲁奇（Ebenezer Scrooge）被带到了过去和未来，目睹了从前的世界和他死后的世界。
在美国文学中，时间旅行首次出现在马克·吐温1889年的小说《亚瑟王朝廷上的康涅狄格美国佬》（A Connecticut Yankeein King Arthur’s Court）中。一位19世纪的美国佬被拖回了时间之中，最后出现在公元前528年亚瑟王的朝廷上。他被投入牢狱，即将被绑在火刑柱上烧死，但他随机宣布他有将太阳抹去的能力，因为他知道就在那一天会发生一次日食。当太阳被遮蔽，暴民们大为惊恐，同意释放他，并向他承诺好处，作为将太阳归还的交换。
但是首部严肃尝试时间旅行的小说是H.G.威尔斯的经典之作《时间机器》（The Time Machine），在小说中主人公被送到了几百年后的未来。在那遥远的未来，人类本身由于基因分成了两个种族《险恶的莫洛克斯（Moorlocks），他们维护着沾满污垢的地下机器；以及百无一用的、孩子气的艾洛伊（Eloi），他们在地上世界跳舞，永远都意识不到自己可怕的命运（被莫洛克斯吃掉）。
在此之后，时间旅行已经成为科幻作品的常见特色，从《星舰迷航》到《回到未来》。在《超人I》中，当超人得知路易斯·莱恩（Lois Lane）已经死去后，他不顾一切地决定让时光倒流，他让自己绕着地球极速飞行，比光速更快，直到时间本身倒转。地球减慢速度，停止，最终向着相反的方向自转，直到地球上所有的钟都向后倒走。洪水迅速后退，破裂的大堤奇迹般地自我修复，路易斯·莱恩从死亡的国度回来了。
从科学的角度来看，时间旅行在牛顿的宇宙中是不可能的。在牛顿的宇宙中，时间被视作一支箭，一旦射出就永远不能向后折回，地球上的一秒钟在整个宇宙中都是一秒钟，这一构想被爱因斯坦推翻，他证明时间更像是一条蜿蜒过宇宙的河流，在恒星和星系中蛇形而过时其流速会加快或减慢，因此，地球上的一秒钟并不是绝对的，当我们在宇宙各处旅行时，时间各不相同。
就像我早先探讨的那样，根据爱因斯坦的狭义相对论，火箭移动越快，它内部的时间流逝越慢。科幻作家们推测，如果能打破光障就能回到过去。但这是不可能的，因为要达到光速必须具有无穷大的质量，光速是所有火箭的终极障碍。《星舰迷航IV:抢救未来》中，“企业号”的船员劫持了一艘克林贡宇宙飞船，并且用它绕着太阳转圈飞行，就像个弹弓一样打破了光障，到达了20世纪60年代的旧金山。但这违反了物理定律。
但是，去未来的时间旅行是可能的，并且已经被用实验证明了数百万次。《时间机器》的主人公去往遥远未来的旅程其实在物理学上是可能的。比如说，如果一位宇航员以接近光速的速度移动，假定他会花费1分钟到达最近的恒星，地球上的时间已经流逝了4年，但是对他而言仅仅过去了1分钟，因为火箭内部时间会减速流逝。因此，根据地球上已经经历的，他就已经旅行到了未来的4年之后（我们的宇航员每次进入太空时其实都短暂地进入了未来。当他们在地球上空以每小时18000英里的速度移动时，他们的时钟比地球上的时钟走得稍稍慢一点。因此，在国际空间站执行1年的任务之后，他们返回地球时其实进入了不到1秒之后的未来。进入未来的世界纪录目前由俄罗斯宇航员瑟杰·阿达耶夫[Sergei Avdeyev]保持，他在太空中渡过了748天，并因此到达了0.02秒之后的未来）。
因此，能将我们带到未来的时间机器符合爱因斯坦的狭义相对论。但是回到过去呢？
如果我们能够回到过去，历史就不可能写就了。一旦历史学家记录了过去的历史，就有人可以回到过去并改写它。时间机器不但会使历史学家失业，还能使我们随心所欲地更改时间的进程。例如，我们回到恐龙的时代，并且偶然地踩到了某个碰巧是我们祖先的哺乳动物，或许我们会意外地消灭整个人类。当来自未来的游客搅黄历史事件，并且尝试寻找最佳拍照角度的时候，历史将成为一部没完没了、颠三倒四的《巨蟒小组》（Monty Python）剧集。
时间旅行：物理学家的游乐场
或许在黑洞和时间机器的密集数学方程方面最为闻名的人是宇宙学家史蒂芬·霍金。不同于其他早早就以数学物理受人注目的学习相对论的学生，霍金年轻时其实不是个优秀的学生。他显然极为聪明，但他的老师们常常会注意到他没有将精力集中在学习上，并且从来不发挥他的全部潜力。但是转折点在1962年到来了，在从牛津毕业后，他开始注意到ALS（肌萎缩侧索硬化症，amyotrophic lateral sclerosis，又称葛雷克氏症）的症状。他被自己患有这一运动神经元上的不治之症的消息惊呆了，这病将剥夺他的所有运动功能，并可能很快致他死命。最初这一消息令他极为难过，如果自己无论如何都会很快死去，获得PHD学位又有何用呢？
但当他熬过了最初的震惊，他有生以来第一次集中了精神。他意识到自己没有多长时间可以活了，开始猛攻广义相对论中某些最困难的问题。在20世纪70年代早期，他发表了一系列里程碑式的论文，证明爱因斯坦理论中的“奇点”（singularity，在这个位置引力场变得无穷大，比如黑洞的中心和在宇宙大爆炸的瞬间）是相对论不可或缺的一部分，并且无法轻易摒除（就像爱因斯坦所认为的那样）。在1974年，霍金还证明了黑洞并不完全是黑的，而是逐渐放射出辐射，现在这被称为“霍金辐射”，因为辐射连黑洞的引力场都能穿透。这篇论文是量子理论在相对论上的第一次重要应用，并且是他最著名的研究成果。
正如所料，ALS慢慢使他的手、腿和声带瘫痪，但速度比医生最初预计的慢得多。因此，他已经经历了许多普通人的人生重大事件，成为三个孩子的父亲（他现在是一位祖父了），在1991年与第一任妻子离婚，四年后娶了他的语音合成器制造者的妻子，并在2006年申请与第二任妻子离婚。在2007年，他登上喷气飞机进行无重力飞行，实现毕生心愿的消息被大为宣扬。他的下一目标是升入太空。
如今他几乎完全瘫痪在轮椅中，通过眼睛的活动与外界交流。然而，尽管身患难以忍受的残疾，他仍旧能开玩笑、写论文、作演讲，并且参加论战。他依靠移动双眼就比那些能够完全控制自己躯体的整队科学家更多产（他在剑桥大学的同事，女王任命的皇家天文学家马丁·瑞斯爵士曾经向我吐露，霍金的残疾的确妨碍了他进行保持自己研究领域内顶尖地位所需要的单调计算。因此，他转而集中精力提出新颖的思想，而不是完成困难的运算，这可以由他的学生来做）。
1990年，霍金读了同事的一篇论文，那上面提出了一种类型的时间机器，他立刻产生了怀疑。他的习惯告诉他，时间旅行是不可能的，因为不存在来自未来的旅行者。如果时间旅行就如星期天在公园里野餐一样常见，那么来自未来的时间旅行者应当会举着相机纠缠我们，要求我们为他们的相片集摆姿势。
霍金还向全世界的物理学家提出了一项挑战。他宣布，应当有一条定律使时间旅行不可能实现，他提出了“时序保护猜想”以从物理定律上禁止时间旅行，以“为历史学们保障历史的安全”。
然而，令人宭迫的是，无论物理学家们多么努力地尝试都无法找出一条不允许时间旅行的定律。看起来时间旅行似乎符合已知的物理定律。由于无法找出任何禁止时间旅行的物理定律，霍金最近改变了主意。他说的“时间旅行或许可行，但是它不实际”，在伦敦的报纸上被大肆报道。
时间旅行一度被认为是边缘科学，突然间却成了理论物理学家们的游乐场。加州理工学院的物理学家基普·索恩写道：“时间旅行曾经仅仅是科幻作家们的领地。严肃的科学家对其像躲避瘟疫一般唯恐避之不及——哪怕是在用笔名写小说或是私下里阅读的时候。时代真是变了！现在能够在严肃科学期刊上发现关于时间旅行的学术性分析，出自著名的理论物理学家之手……为什么会发生这样的改变？因为我们物理学家已经意识到时间的本质是一个极为重要的议题，不能仅仅被遗落在科幻作家手中。”
所有这些混乱与兴奋的原因是，爱因斯坦的方程允许很多种时间机器存在（然而，它们是否能经得起量子理论的挑战仍不确定）。在爱因斯坦的理论中，事实上我们常常遇到某种叫“封闭式类时间曲线”（closed time-like curves）的东西，它是允许回到过去的时间旅行路径的专业术语。如果我们沿着一条封闭式类时间曲线的路径前进，我们将踏上一次旅程，并且回到我们出发之前的时间里来。
第一种时间机器包含了一个虫洞。爱因斯坦方程有许多解连接了空间中两个相距遥远的点。但是由于空间和时间在爱因斯坦的理论中密不可分地相互纠结，这同一个虫洞也可以连接时间中的两个点。掉入虫洞，你可以（至少在数学上）游历到过去。可以想象，你随后能够回到开始的那一刻，并且遇到离去之前的你自己。但是，正如我们在之前的章节中所提到的，穿过一个黑洞中心的虫洞是一次单程旅行。如物理学家理查德·戈特（Richard Gott）所说的：“我不认为一个人在黑洞中回到过去的时光会存在什么疑问，问题是他是否还能重新出现，夸耀他的经历。”
另一种时间机器包括一个旋转的宇宙。1949年，数学家科特·哥德尔发现了第一个包含时间旅行的爱因斯坦方程的解。假如宇宙旋转的话，那么如果你在宇宙中以足够快的速度移动，你或许会发现自己身处过去，并且到达了自己出发之前的时间。因此，一次环绕宇宙的旅行也是一次回到过去的旅行。当天文学家们拜访高级研究所的时候，哥德尔常会问他们是否找到了宇宙在旋转的证据，当他们告诉他有清楚的证据表明宇宙在膨胀，但是宇宙的净转动可能是零，他很失望（否则，时间旅行或许会很平常，历史会像我们所了解的那样崩溃）。
第三，如果你绕着一根无限长的、旋转的圆柱走，你可能同样会发现自己回到了自己离开之前（这个解是由W.J.范斯托克姆[W.J. van Stockum]在1936年发现的，早于哥德尔的时间旅行解，但范斯托克姆看来没有意识到他的解允许时间旅行）。既然如此，如果你在五月节绕着一根旋转的五月柱跳舞，你或许会发现自己身处四月（然而，这一方案的问题在于圆柱必须是无限长的，并且旋转的非常快，以致于大多数材料会被飞甩出去）。
最近的时间旅行例子由普林斯顿的理査德·戈特在1991年发现。他的解是以发现巨大的宇宙弦（可能是最初的大爆炸的残存物）为根据的。他假设有两根大型宇宙弦几乎要相撞。如果快速绕这两根快要相撞的宇宙弦移动，你将回到过去。这种类型的时间机器优势在于不需要无限长的圆柱、旋转的宇宙或者黑洞（然而，这一方案的问题在于必须先找到漂浮于太空中的巨大宇宙弦，随后使它们以精确的方式相撞。回到过去的可能性只能持续一段短暂的时间），戈特说：“一根收缩回路大到需要你用上一年，绕它一圈的弦质量-能量必须超过整个星系的一半。”
但是，时间机器最有前景的方案是前一章中提到过的“可穿越的虫洞”，一个时空中的洞，在其中人可以自由地在时间中前进和后退。理论上说，可穿越虫洞不仅能提供超光速旅行，还可以提供时间旅行。可穿越虫洞的关键是负能量。
—个可穿越虫洞时间机器将由两个房间组成，每个房间由两个分开一小段距离的同心球体组成。使外侧的球体向内聚爆，两个球体会制造卡西米尔效应，并因此产生负能量。假设一个III型文明能够将这两个房间用一个虫洞连接起来（可能从时空泡沫中获取一个）。随后，将第一个房间以近光速送入太空。那个房间里的时间会减慢，这样两个时钟就不再同步了。两个房间内的时间以不同的速度流逝，而它们由一个虫洞相连。
如果身处第二个房间内，你可以立即穿过虫洞到达第一个房间，那里的时间比较早。这样你就回到了过去。
这一方案面临难以克服的问题。虫洞可能会很小，比一个原子还小得多。金属板可能必须向内收紧到普朗克长度的距离，以制造足够的负能量。最后，你只能够回到时间机器被制造的时间点。在那之前，两个房间的时间流逝速度是相同的。
悖论和时间谜题
时间旅行提出了各种问题，既有技术性的也有社会性的。拉瑞·戴维尔（Larry Dwyer）提出了伦理、法律和道德上的议题，他记录道：“一个挥拳殴打年轻的自己（或者情况相反）的时间旅行者应该被控袭击吗？谋杀他人后逃回过去寻求庇护的时间旅行者应当在过去为他在未来所犯下的罪行受审吗？如果他在过去结了婚，他应当为重婚受审吗？即使他的另一个妻子在差不多接下来5000年里都不会出生。”
但最尖锐的问题或许是由时间旅行引起的逻辑悖论。比如，如果我们在自己出生之前杀死了自己的父母会怎样？这在逻辑上是不可能的，它有时被称为“祖父悖论”（grandfather paradox）。
解决这些悖论有三种方法。第一种，或许你在回到过去的时候只是简单地重复历史，因此就使过去实现了。这样的话，你就不具有自由意志。你被迫如已经记录的那样完成过去。这样，如果你回到过去，将时间旅行的秘密告诉了年轻的自己，那么事情就是注定要如此发生的。时间旅行的秘密来自未来。这是命运（但这没有告诉我们最初的想法来自哪里）。
第二种，你具有自由意志，因此你可以改变过去，但在一定限度之内。你的自由意志无法制造出时间悖论。每当你试着在自己出生前杀死自己的父母，就会有一股神秘的力量阻止你达到目的。这种方式被俄罗斯物理学家伊戈尔·诺维科夫（Igor Novikov）大为提倡（他辩称，有一条物理定律使我们无法在天花板上行走，尽管我们或许想这么做。因此，或许有一条物理定律使我们无法在自己出生前杀死自己的父母。某条古怪的定律妨碍我们达到目的）。
第三，宇宙分裂为两个宇宙。在其中一条时间轴上，你杀死的人仅仅是看上去像你的父母，但他们不是你的父母，因为你正处于一个平行宇宙中。最后的这种方式似乎是唯一符合量子理论的，如同我将在后一章讨论多元宇宙的时候所提到的那样。
第二种可能在影片《终结者3》（Terminator 3）中获得了探索。影片中阿诺德·施瓦辛格（Arnold Schwarzenegger）扮演一个来自未来的机器人。在那里，凶残的机器人已经接管了一切。寥寥无几的幸存人类像动物一般被机器穷追不舍，由一位伟大的领袖领导，机器人无法杀死他。机器人对此深感不满，派出一系列机器人杀手回到伟大领袖出生之前，去杀死他的母亲。但是，在史诗般的战斗之后，人类文明最终在电影末尾被摧毁了，就如它命中注定的那样。
《回到未来》探索了第三种方式。布朗（Brown）博士发明了一辆以钚为燃料的德罗宁（DeLorean）汽车，它其实是一台可以回到过去的时间机器。迈克尔·福克斯（Michael J.Fox）（饰演马蒂·麦克弗莱）进入了机器，并且回到过去，遇见了自己青少年时期的母亲，随后他们坠入了爱河。这提出了一个难题：如果马蒂·麦克弗莱的母亲拒绝了他的父亲，那么他们就不会结婚，而迈克尔·J.福克斯扮演的角色将永远不会出生。
布朗博士略微澄清了这一问题。他走向黑板，画了一条水平线，代表我们的宇宙的时间轴。随后他又画了第二条线，从第一条线分叉出来，代表当你改变过去时一个打开的平行宇宙。这样，毎当我们回到时间的河流中，河流就会分叉为两股，一根时间轴变成两根时间轴，或者它被称作“多世界”（many worlds）方法，我们将在下一章中进行讨论。
这表示所有的时间旅行悖论都可以解决。如果你在自己出生前杀死了自己的父母，这仅仅表示你杀死了某两个在基因上与你父母完全相同的人，并与你的父母有着相同的记忆和性格，伹他们不是你真正的父母。
“多世界”概念解决了时间旅行的至少一个主要问题。对物理学家来说，时间旅行（除找到负能量之外）所受到的最大非议在于辐射效应会逐渐增强，最后要么你在进入机器的瞬间被杀死，要么虫洞在你身上崩塌。辐射效应会增强是因为任何进入时间之门的辐射都会被送回过去，它最后会在宇宙中游荡，直至它到达现在，随后再次落入虫洞，由于辐射能无数次进出虫洞入口，虫洞内部的辐射能强到不可思议——强烈得足以杀死你，但是“多世界”解释解决了这个问题。如果辐射进入时间机器，并且被送往过去，那么它会进入一个新的宇宙，它无法一次、一次又一次地重复进入时间机器。这明确地意味着有无数个宇宙，每个宇宙一个循环，每个循环只有一道辐射，而不是无限量的辐射。
在1997年，当三位物理学家证明霍金禁止时间旅行的方案有先天缺陷时，这一讨论有点被解释清楚了。伯纳德·凯（Bernard Kay）、马瑞克·莱迪兹科斯基（Marek Radzikowski）和罗伯特·沃尔德（Robert Wald）证明，时间旅行符合所有已知的物理定律，除了一处。在时间中旅行时，所有可能出现的问题都集中在视界上（位置靠近虫洞的入口）。但是视界恰好位于我们预计爱因斯坦理论失灵、而量子理论开始生效的位置。问题在于，每当我们试图计算进入一台时间机器时的辐射效应，我们都不得不使用一种将爱因斯坦广义相对论和辐射的量子理论相结合的理论。但是，每当我们天真地试图结合这两种理论，得到的理论都是毫无意义的：它产生一系列无限的答案，而这些答案没有意义。
这是一种万物至理开始起作用的位置。困扰物理学家的穿越虫洞旅行的一切问题（比如，虫洞的稳定性、可能杀死人的辐射以及进入虫洞时虫洞会闭合）都集中于视界，那正是爱因斯坦理论失去意义的地方。
因此，理解时间旅行的关键在于理解关于视界的物理，只有一种万物至理才能解释它。这就是为什么如今的大多数物理学家认同明确解决时间旅行问题的唯一方法就是提出一种引力和时空的完整理论。
万物至理会联合宇宙的四种力，并且使我们能够估计出当我们进入一台时间机器时会发生的情况。只有一种万物至理才能成功计算出一个虫洞所制造的全部辐射效应，并且肯定地解决当我们进入时间机器时虫洞的稳定性问题。即便如此，我们可能还必须等上几个世纪甚至更久，才能等到一台机器来测试这些理论。
由于时间旅行的原理与关于虫洞的物理联系极为紧密，时间旅行似乎符合“二等不可思议”的要求。
【注释】
《巨蟒小组》（Monty Python），一个英国电视电影制作小组，以BBC电视喜剧节目《巨蟒小组的飞行马戏团》（Monty Python’s Fiying Circus）崭露头角，出品了一系列影视作品，风格荒诞、幽默、超现实。——译者注
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