物理學上的時間旅行

╱牛頓宇宙論

牛頓認為，空間、時間和運動是絕對的，即整個宇宙是一個統一的慣性坐標系，時間按照永恆的速度均勻地通過這個坐標系，與任何外部因素無關。在牛頓宇宙中，自然時間旅行是不可能的，空間或時間沒有自然時間旅行可以利用的屬性或形貌。威爾斯筆下的時間旅行故事，超越了牛頓物理學的界限，是非科學時間旅行的範例。

一些哲學家和科學家反對絕對空間、時間和運動的概念，尤其是萊布尼茲、貝克萊和馬赫。馬赫駁斥了牛頓的觀念，認為時間並沒有什麼實質性的內容，「我們根本沒有能力利用時間測量事物的變化。恰恰相反，時間是一種抽象，只有通過事物的變化我們才能認識它」。對馬赫來說，變化比時間更為根本。我們談論時間「過去」，其實是我們注意到周圍的事物在運動和變化，似乎有某種潛在的流動物質，比如說河水，在伴隨這些變化發生。我們之所以那樣說，只是因為那樣說方便而已。我們對時間進行抽象，以便有一種標準的測量工具對變化進行量化。當時，馬赫的這些觀點對年輕的愛因斯坦產生了很大影響。1 9 0 5年，愛因斯坦發表了他著名的狹義相對論論文，開始轉變我們對空間、時間和運動的理解。

╱狹義相對論

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狹義相對論有兩個規定性原則：相對原則和光速的不變性。簡單地說，相對原則就是物理定律對任何慣性觀察者來說都相同。如果一個觀察者的軌跡呈勻速，不受任何力的影響，那麼他就是一個慣性觀察者。光速的不變性是說所有的慣性觀察者測量到的真空中的光速都是3×1 08米/ 秒，與他們的速度無關。這個原則隱含在麥克斯韋的電磁學方程式（1 8 7 3年）里，被邁克爾遜—莫雷干涉儀實驗（1 8 8 7年）證實。

第二個原則深刻地影響了宇宙的模型，光速的常性違背了牛頓物理學。狹義相對論的光速常性取代了牛頓宇宙中時間和距離的常性，空間的間距（像長度）和時間的間距（以及運動）不再是絕對數量。現在，我們不再說一個物體處於一個具體位置而沒有一個具體的時間，而是說一個事件，其位置和時間不可分離，我們可以用一個新數量聯繫兩個事件：時空間隔。對任何兩個事件來說，其時空間隔對所有慣性觀察者來說都是一個絕對數量（即同值）。要想將這個新的量視覺化，就得構建時空圖（閔可夫斯基圖），圖中的事件由其空間位置（通常局限於一維）和時間限定。因此，時空間隔可能是空（與光的軌跡平行，呈4 5°角）、類空（時間無變化或基本無變化）或類時（空間位置無變化或基本無變化）。

狹義相對論會給時間旅行帶來什麼樣的後果呢？首先，我們沒有了同時性的常識概念。比如說，對同一個事件，如果一個觀察者的慣性坐標系相對另一個觀察者以某種速度移動的慣性坐標系靜止不動，那麼這個事件就發生在兩個不同時間。其次，處於相對靜止慣性坐標系的觀察者可以確定兩個事件同時發生，而處於相對移動慣性坐標系的觀察者會認為相同的兩件事發生在不同的時間。因此，沒有通用的或絕對的外部時間，我們只能說在自己的參照系內的外部時間。如果參照坐標系沒有同時性，就意味著我們可能體會到時間膨脹。如果你的參照系以光速的1/n移動，那麼你的外部時間就會慢於相對你的固定參照系的外部時間。如果我們想像有人在固定參照系內偷窺你參照系裡的時鐘，他就會看見你的時鐘走得很慢。因此，在狹義相對論中就能找到一種自然時間旅行。比如說，有一名宇航員以接近光速在宇宙中旅行了一定距離，他的個人時間還是同樣的速度；當他到達目的地然後返回時，卻發現他度過的外部時間相當不同。他認識的人都比他老了許多，甚至已經去世幾百或幾千年。

這樣的故事在物理學意義上符合愛因斯坦的狹義相對論宇宙，可是我們的技術能力還達不到那個水準。然而，這些故事仍是自然時間旅行的範例，符合已知的物理定律，沒有例外。但是作為時間旅行故事，要求時間旅行者同時是普通的旅行者，這類自然時間旅行者只能到未來旅行。因此，依照狹義相對論的自然時間旅行的局限過多，遠遠不是我們通常所說的時間旅行。

另外，還有其他限制，比如說質能當量。這個原理髮表在愛因斯坦1 9 0 5年的第二篇論文里。其意思是，有一種能量，它等於靜止粒子的質量。當質能當量與能量守恆定律和諧時，就會發現如果一個質停止存在，其能當量必須以某種形式出現，即質與能可以互換。實際上，只有光子這樣的無質物體才能以光速移動，它有動能但沒有質能。凡是有質的物體，比如人和飛船，一般而言是不能達到光速的，因為這需要無限量的能。

╱廣義相對論

在狹義相對論中，所有的慣性坐標系都等值，雖然這是有用的近似，但從這裡看不出如何對慣性坐標系進行解釋。馬赫說，質的分布決定著空間和時間。可是，它是如何決定的呢？關於這個問題，愛因斯坦於1 9 1 6年在他的廣義相對論里做了解答。狹義相對論實際上是廣義相對論的一個子集。廣義相對論考慮到了加速的參照系（即非慣性坐標系）， 因此，考慮了重力現象。時空的形貌是由質的分布形成的，呈動態，可以彎曲，而質「告訴」時空的某個區域如何彎曲。同理，時空區域由此產生的幾何決定著該區域內質的運動。

廣義相對論的基本原則是等價原則，即重力和加速度是表示相同現象的兩個名稱。當我們看到宇航員在地球上空沿軌道飛行時，不能說那是一個沒有重力的環境。這是因為他仍然處於地球引力場之內的自由下落狀態，但由於在區域慣性坐標系中，所以感覺不到自身質的重量。

廣義相對論有一種古怪的效果，即光在接近物體時會彎曲。這看上去似乎有點奇怪，因為我們還記得光是沒有質量的。光為什麼會受引力的影響？光總是直線運行的，它之所以彎曲，是因為時空幾何在任何質量附近都是非歐幾里得幾何。廣義相對論的另一個古怪效果是引力影響時間。想像一個勻速系，比如說引擎燃燒期間的火箭，在廣義相對論中，火箭底部或尾部的觀察者（取決於你想怎樣看它運動）看到的火箭頂端或前部的時鐘似乎走得快。根據等效原理，地球海平面上的時鐘比珠穆朗瑪峰峰頂上的時鐘走得慢一點兒，因為距離質中心越遠，場的強度就越弱。

廣義相對論下的自然時間旅行可能嗎？有可能，而且有些故事還相當古怪。雖然大多數時空看上去比較平坦，或者有輕微的起伏輪廓，但是物理學家意識到了一個不同尋常和極度拓撲的時空區域，比如旋轉的黑洞。黑洞是恆星完全坍塌時遺留下來的實體，是引力戰勝了其他所有的力，這是廣義相對論方程式的解決方案預言的。黑洞的奇點產生一個可以越過的圓環或環面，這一點與靜態的黑洞不同，靜態黑洞的奇點無法穿透。勇敢的宇航員如果能置身於黑洞迅速旋轉的中心平面附近（而不掉入其中心），就能享受一次極其不同凡響的時間旅行。在屬於自己的短暫一瞬間，這位宇航員會看到黑洞外宇宙的極長的時間跨度，他的時空區域會遠離周圍宇宙的外部時間，可以想像，他能目睹幾千年、幾百萬年甚至幾十億年的過去。這是一種自然的時間旅行，然而，宇航員（即時間旅行者）的活動受到嚴重的限制，因為他只能向著未來旅行。

廣義相對論的解決方案是否允許旅行到過去呢？允許，但不像旋轉的黑洞那樣，只是理論上有這樣的可能性。

C T C 時空

愛因斯坦在普林斯頓的鄰居庫爾特· 哥德爾就研究出了這樣一個方案。1 9 4 9年，哥德爾發現封閉時空的有些世界線能夠大幅度彎曲，甚至可以形成一個時空環，他將之稱為封閉類時曲線（CTC）。假如你是CTC 上的一個物體，你最終會回到你離開的那個時空位置。也就是說，你會回到過去。哥德爾的CTC 時空描繪的是一個旋轉的宇宙。因此，對CTC 來說這是一個極端的例子，並不是一個現實的解決方案，因為目前的宇宙理論認為宇宙是在膨脹，而不是在旋轉。

自然時間旅行可以利用的另一類時空區域是蟲洞，它能連通兩個時間區域和兩個空間區域。物理學家基普· 索恩推測，如果能夠抓住一個帶有蟲洞入口的黑洞，就可以利用它實現時間旅行，其速度會接近光速。因為時間膨脹，移動的黑洞要比蟲洞另一端的靜止黑洞老化得慢一些。兩個黑洞最終將非同步化，然後存在於不同的外部時間。自然的時間旅行者就能利用這個固定的黑洞，提前幾年從他出發時的那個黑洞里出來。如果蟲洞自然存在，許多科學家認為它很可能相當不穩定（尤其是考慮到量子效應時），這對我們的時間旅行是很不利的。所以，自然的蟲洞需要增加負能量之類的外部因素才能被當作時間機器加以利用。

戈特於1 9 9 1年提出的另一類CTC 使用了兩個無限長且極快移動的高密度材料的宇宙弦。原子粗細的兩根弦平行反向移動，在相對經過時，會產生嚴重彎曲的時空，使得時空實現閉合。利用這一特性，自然的時間旅行者在最合適的時刻就可以在兩根弦上來回飛行。如果操作得當，他就會提前回到動身的空間點。

上述的CTC 擁有一個共同特徵，即它們都將CTC 描述為業已築入宇宙的廣義相對論的解決方案。自然的時間旅行者必須通過普通的旅行找出這些結構，然後加以利用。然而，截至目前，我們在廣義相對論的解決方案中還沒有找到類似的CTC 演變。不過，人們通常認為存在這樣的解決方案，它們需要特別的物理約束，在有限的時空區域內創造一個奇點就是其中之一。進入這個時間旅行的可能區域必須跨越柯西邊界，即其內部物理定理未知的奇點沙漏形（兩個交叉的宇宙弦）邊界。如果能夠建造這樣一個CTC，第二個約束會限制時間旅行者能夠進入的外部時間——CTC 創建日之前的時間是旅行無法到達的。

廣義相對論下的自然時間旅行面臨巨大的技術挑戰。前面已經提及的一個難題是穩定性。能量問題也同樣嚴峻，建造並維持可用的蟲洞需要奇異量的外來物質（或者類似於大爆炸早期的結構和條件，如負張力邊界層、引力真空極化等），宇宙弦需要無限長的超密度物質管道。然而，儘管存在這些技術難題，但自然時間旅行到過去還是符合廣義相對論的。一些物理學家（包括霍金）認識到了沿CTC 回到過去的時間旅行的另一個問題：在因果循環內維持物理上的一致性。在這一方面，量子理論的有些解釋具有明顯的優勢。

《星際穿越》中的蟲洞

╱量子論解釋

量子理論的有些方面與時間旅行相關，尤其是量子引力場。大自然的基本力（強核力、電磁力、弱核力及引力）有相對論的量子描述，但將引力和量子理論合并的種種嘗試至今仍未成功。在目前的標準原子模型中，所有力都由被稱為規範玻色子的虛擬粒子攜帶。可以說，光子在「真」粒子之間「攜帶」電磁力，引力子雖然探測不到，但是它「攜帶」引力。量子理論中引力的這種粒子特性與廣義相對論中的幾何特性非常不同。調和這兩種描述是一個積極的研究領域，許多人希望引力能夠像其他基本力那樣得到解釋。這將最終形成「萬有理論」。

科學家對量子理論提出幾種解釋，其核心問題是糾纏。兩個量子系統進入暫時的物理相互作用狀態，通過已知力相互影響，然後分離。此時，兩個系統不能再用最初交會時的相同方式進行描述。如果使用某種測試設備測量旋轉等物理特性，就會發生微狀態和宏狀態糾纏。按照正統解釋，就是狀態向量（描述糾纏系統的方程式）降低或從一種重疊跳躍到實際觀察到的狀態之一。可如果一種糾纏狀態「崩潰」會怎麼樣？正統的解釋說不知道，唯一可描述的是觀察到的效果，這正是波方程式或狀態向量所做的事。

其他解釋認為，狀態向量根本不會「崩潰」，或者認為狀態重疊所有的可能結果都會通過某種方式成為現實。這種多世界版本的解釋認為，每個這樣的事件發生時，涉及糾纏狀態的宇宙會「剝落」形成與該宇宙完全相同的副本。因此，在「崩潰」的任何時刻都會存在兩個或更多幾乎完全相同的宇宙，可以互見、同樣真實，並且隨著越來越多的糾纏事件進一步分裂。

許多自然時間旅行故事利用了這些多世界概念。比如在《星際穿越》中，當「永恆」號穿過蟲洞，就不必跨越我們宇宙的時空間隔，而是從「我們的」宇宙跳到了另一個宇宙。多世界宇宙中的自然時間旅行者在返程時將進入一個不同的世界歷史。這類故事暗示，我們可以通過時間旅行改變歷史事件的結局。因此，我們接下來要面對的，是因果關係和個人同一性的許多矛盾。

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