我們能穿越時空嗎？

# 感謝 Hulk 投稿，文章來自他的公眾號牛油果進化論

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穿越劇的魅力在於情節易於設計，而在現實中又難以實現。 Paul Davies是一位理論物理學家，他一生致力於研究時間的本質，他經常回答人們關於時間的各種奇葩問題。被問及最多的自然是「我們能穿越時空嗎？」

「當然可以」Davies說道，「不過是在一定的物理條件下」。

時間旅行的兩種方案
回到過去，理論上可行，但現實是骨感的。當Albert Einstein於1905年正式提出相對論後，時空旅行前往未來不僅成為一種可能，更被當時的科學家認為是遲早要實現的事情。我們要做的的僅僅是運動的更快！儘管任何物體的相對運動都會造成短暫的時間錯位，但只有達到光速量級的速度才能使我們察覺這一差異。也就是說，當物質以接近光速的速度運動，時間才會扭曲。舉個栗子，假如你希望利用一年的時間穿越到公元2100年，那麼你需要一艘全速可達99.993%光速的宇宙飛船，然後你要做的就是乘坐這艘飛船旅行一年(飛船上的時間，而非地球上的時間)，最終返回地球，這時你將來到82年後的地球。

速度與時間的關係

T是飛船上事件A和B之間的時差
T0是地球上事件A和B之間的時差
v是飛船速度 c是光速

如果你嫌坐飛船太過無聊，那麼還有另一種辦法：去一個更高重力場的地方待一段時間。不同重力場下，時間流逝的快慢也不同。遠離地球的衛星上的時間要比地球表面的走得更快！這種微小尺度的時間扭曲可以被一些高精度的儀器察覺到。在科技高度發展的今天，這種時間差異早已不是什麼新鮮事，如今的GPS衛星定位系統需要考慮衛星運行速度以及公轉重力場對時間的影響，以此做出修正，否則GPS就沒有那麼准了。時空扭曲是真真切切存在的，它已經成為某些實際工程中不得不考慮的因素！

重力場與時間的關係

t0是相對於位於這個引力場內的A和B的時差
tf是相對於位於這個引力場外的A和的時差
G是引力常數，M是產生引力天體的質量，r是觀測者的徑向坐標(相似於從天體中心的距離，但實際上是史瓦西坐標)，c是光速，r0=2GM/c2是M的史瓦西半徑

我們只能前往未來？！
當然了，想利用當今的科學技術實現時間旅行幾乎是不可能的。舉個栗子，乘坐飛機旅行僅僅會產生微小的時間錯位，數量級在十億分之一秒，如果要實現電視劇《神秘博士》中出現的時間旅行更是難上加難。「穿越」的另一大障礙在於它是一趟單程旅行。你只能前往未來——比其他人更加快的來到未來，但是你不能再回到過去。穿越劇中經常出現的穿越回來的劇情，是沒有理論依據的！一些科幻小說里的回到過去英雄救美的情節也是違背物理定律的。

Einstein的相對論並沒有具體指出回到過去是否可行。在物理學界，對於「是否可以穿越回過去」這一命題也一直爭論不休。Einstein本人也指出「回到過去引發的悖論簡直就是磨人的小妖精。」但物理學家們對一點達成了共識：假如穿越到過去是可能的(這裡只是假設！)，它將比穿越到未來更加難以實現。製造時光機需要建立在蟲洞和弦論的基礎上，但要實現它，可能要等到人類文明可以輕鬆產生恆星級能量的時候了。

除了技術上的障礙和巨大的成本，回到過去也可能引發一系列的悖論和矛盾。如著名的因果循環悖論，物理學家以及科幻小說家也經常因為這些悖論而苦惱。一件看似不經意的事件就可以改變人生，甚至改變歷史。在電影雙面情人(《Sliding Doors》由Gwyneth Paltrow主演)中，女主角海倫走在倫敦的地鐵站里，車子靠站後兩種不同的選擇使她的人生走向截然不同的方向。電影給敘述了由一個不經意的選擇造成的兩種相反的情節。事實上，我們也可以舉出一些更加誇張的栗子，假如宇宙射線意外擊中人類胚胎DNA遺傳因子上一個關鍵的原子而引發癌症，那麼這個人自然會英年早逝。如果他是年輕時期的Adolf Hitler呢？那麼人類歷史必然會被改寫。

量子力學與因果論
因果循環悖論似乎阻礙了穿越回過去的道路。譬如說，小明坐時光機回到過去，他與歷史上的任何事物的互動，不管是多麼不經意的活動，都有可能造就一個不一樣的未來世界，這個未來將與小明熟知的未來有所不同。那麼哪一個未來世界才是真正存在的呢？如此的問題還與很多，困擾了一代又一代的科學家們。但是，因果悖論也有漏洞，那就是量子力學！

量子力學是對世界上所有物質的描述，但量子效應在原子尺度上才是最明顯的。在宏觀世界，我們擲一個骰子，1-6點正面朝上的概率都是1/6，我們認為該事件是隨機的，但是如果我們通過計算，每次都以相同的力道，角度擲相同的骰子，理論上我們能控制每次都擲到6，也就是說擲骰子這一事件是偽隨機的，是人為可以控制的。但是量子力學認為任何事件都是不確定的，只能計算其概率，這種效應在微觀世界最為明顯。量子力學的核心論點是不確定性，例如激發一個原子周圍的一個電子，在第一次觀測中電子跳躍到原子的左邊。然而當我們在完全相同的條件下重複上述過程，我們觀察到電子跳躍到原子右邊。儘管我們可以計算電子出現在原子左邊的概率，但是我們也無法排除電子跳躍到右邊的可能性。類似地延伸到時間上，量子力學指出未來是無法被確定的，是擁有無限可能的。未來具有不確定性！

我們不知道量子力學的不確定性是否對已經發生的事情適用，就像未來是不確定的一樣。於是有人提出來平行世界的理論來解釋因果循環悖論。值得注意的是，平行宇宙並不是科幻小說作者靈機一動創造出來的概念，而是科學家們根據觀測到的事實以及各種宇宙理論進行推理的結果。

平行宇宙的出現似乎打開時間旅行的大門。如果過去發生的某件事件不是「板上釘釘」的，它處於模糊狀態，是可以改變的，那麼因果循環悖論將不復存在。假如一個人穿越回到過去，確定了一些原本模糊的「態」，那麼他將使他所處的時空具體化，確定了原本「混沌」的「狀態」。根據量子力學的理論，穿越回過去不能改變歷史，但可以使歷史更加清晰。一些科學實驗已經證明了這一點：對光子某個時刻的實驗可以影響光子過去某個時刻的混沌狀態，但是不能影響過去已經確定的某個「態」。量子力學裡這種「奇怪」的理念與Einstein稱為「Spooky Action」的現象相對應。

歷史無法改變，但可以增添細節
穿越時空不能改變歷史：不管時間穿越者在過去幹了什麼，其結果都必須與現今世界(他來自的世界)的歷史保持一致。所以仇人不可能回到過去在你出生以前謀殺你的母親，因為你已經出生，這是既定事實，即已經確定的「態」。但是你卻可以回到過去英雄救美，讓美人成為你的母親。歷史上，成為你母親的人是否被救過這一事件是未知的，即混沌的「態」，可以被確定。

換句話說，時間穿越者在過去能幹什麼是被限制的，也就是自由度數被限制。穿越者也自然會受到物理定律的限制，當然這並不是什麼新鮮事。譬如，我想在天花板上行走，但是物理規律不允許——我當然會摔到地上。另外，當涉及因果循環，限制會更加嚴苛，我們無法改變已經確定發生的歷史。假如要回到過去用刀殺死自己的親媽會發生什麼？刀會自己掉落？還是自己抬不起握刀的手？很多事情會變得難以理解。所以我們無法改變已經發生的事情，但我們可以回到過去確定原本混沌的狀態，為歷史的發生過程添加更多細節。

在一些電影里，時間旅行是不合法的，政府也制定了相關法律限制。但事實上，是物理定律確保了宇宙中發生的任何事情以及目前「混沌的態」合情合理，而不是人類制定的法規。

[投稿 via slate]

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