自 H. G. 威爾斯在 1895 年寫出他的著名小說《時間機器》以來，時間旅行一直是流行的科幻主題。 但它真的能實現嗎？是否有可能建造一臺可以將人類輸送到過去或未來的機器？
幾十年來，時間旅行一直處於體面科學的邊緣。然而，近年來，這個話題在理論物理學家中已成為一種小型產業。動機部分是出於娛樂——思考時間旅行很有趣。但這項研究也有嚴肅的一面。理解因果關係是構建統一物理理論的關鍵部分。如果不受限制的時間旅行是可能的，即使只是在理論上，這種統一理論的性質也會受到極大的影響。
我們對時間最好的理解來自愛因斯坦的相對論。在這些理論出現之前，時間被廣泛認為是絕對的和普遍的，對每個人來說都是一樣的，無論他們的物理環境如何。在他的狹義相對論中，愛因斯坦提出，兩個事件之間測量的間隔取決於觀察者的運動方式。至關重要的是，兩個移動方式不同的觀察者將體驗到相同的兩個事件之間不同的持續時間。
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這種效應通常用雙生子悖論來描述。假設莎莉和薩姆是雙胞胎。莎莉登上火箭飛船，高速飛往附近的一顆恆星，然後掉頭飛回地球，而薩姆則待在家裡。對於莎莉來說，旅程的持續時間可能是一年，但當她返回並走出宇宙飛船時，她發現地球上已經過去了 10 年。她的哥哥現在比她大九歲。莎莉和薩姆不再是同齡人，儘管他們是同一天出生的。這個例子說明了一種有限型別的時間旅行。實際上，莎莉已經跳入了地球未來的九年。
時差
這種效應，被稱為時間膨脹，發生在兩個觀察者相對於彼此移動時。在日常生活中，我們沒有注意到奇怪的時間扭曲，因為只有當運動發生在接近光速時，這種效應才會變得顯著。即使在飛機速度下，典型旅程中的時間膨脹也只有幾個納秒——這幾乎不是威爾斯式的冒險。然而，原子鐘足夠精確，可以記錄這種變化，並證即時間確實因運動而延長。因此，前往未來是一個被證明的事實，即使到目前為止，它的量相當令人興奮。
要觀察到真正顯著的時間扭曲，就必須超越普通經驗的範圍。亞原子粒子可以在大型加速器中以接近光速的速度推進。其中一些粒子，例如 μ 子，具有內建的時鐘，因為它們以確定的半衰期衰變；根據愛因斯坦的理論，在加速器內快速移動的 μ 子被觀察到以慢動作衰變。一些宇宙射線也經歷驚人的時間扭曲。這些粒子移動速度非常接近光速，以至於從它們的角度來看，它們在幾分鐘內穿過星系，儘管從這樣的恆星來看，這裡的事件會類似於快進的影片。黑洞代表了最終的時間扭曲；在黑洞表面，相對於地球，時間靜止不動。這意味著，如果你從附近掉進黑洞，在你到達表面的短暫時間內，整個宇宙的永恆時光都會流逝。因此，就外部宇宙而言，黑洞內部的區域已超越時間的盡頭。如果一名宇航員能夠非常接近黑洞並毫髮無損地返回——不可否認的是一個異想天開，更不用說魯莽的前景——他可以跳到遙遠的未來。
我的腦袋在旋轉
到目前為止，我一直在討論時間前進的旅行。那麼回到過去呢？這更加成問題。1948 年，新澤西州普林斯頓高等研究院的庫爾特·哥德爾提出了愛因斯坦引力場方程的一個解，該解描述了一個旋轉的宇宙。在這個宇宙中，宇航員可以透過太空旅行到達自己的過去。這是因為引力影響光的方式。宇宙的旋轉會拖動光（以及物體之間的因果關係）隨之旋轉，使得一個物質物體可以在空間中以閉環方式行進，同時在時間上也是一個閉環，而不會在粒子的直接鄰域的任何階段超過光速。哥德爾的解決方案被認為是數學上的好奇心——畢竟，觀測結果沒有顯示宇宙整體在旋轉的跡象。然而，他的結果證明了相對論並未禁止回到過去。事實上，愛因斯坦承認，他很擔心他的理論可能在某些情況下允許回到過去旅行。
人們發現其他情景也允許回到過去旅行。例如，1974 年，杜蘭大學的弗蘭克·J·蒂普勒計算出，一個以接近光速的速度在其軸上旋轉的巨大、無限長的圓柱體可以讓宇航員回到自己的過去，再次透過將光拖動到圓柱體周圍的環路中。1991 年，普林斯頓大學的 J·理查德·戈特預測，宇宙弦——宇宙學家認為是在大爆炸早期階段產生的結構——可能會產生類似的結果。但在 20 世紀 80 年代中期，基於蟲洞概念的時間機器最真實的情景出現了。
在科幻小說中，蟲洞有時被稱為星門；它們提供了太空中兩個相距遙遠的點之間的捷徑。跳過一個假設的蟲洞，你可能會在幾秒鐘後到達銀河系的另一邊。蟲洞自然地符合廣義相對論，廣義相對論認為引力不僅會扭曲時間，還會扭曲空間。該理論允許連線太空中兩個點的替代道路和隧道路線的類比。數學家將這樣的空間稱為多連通空間。正如穿過山丘的隧道可能比地面的街道短一樣，蟲洞可能比穿過普通空間的通常路線短。
卡爾·薩根在他 1985 年的小說《接觸》中將蟲洞用作虛構的裝置。在薩根的提示下，加州理工學院的基普·S·索恩和他的同事們開始尋找蟲洞是否與已知的物理學相符。他們的出發點是蟲洞會像黑洞一樣，是一個具有可怕引力的物體。但與只提供通往未知之地的單程旅行的黑洞不同，蟲洞既有入口也有出口。
在環路中
為了使蟲洞可以穿越，它必須包含索恩所說的奇異物質。實際上，這是會產生反引力的東西，以對抗巨大系統在其強烈重量下坍縮成黑洞的自然趨勢。反引力，或引力排斥，可以由負能量或壓力產生。已知負能量狀態存在於某些量子系統中，這表明索恩的奇異物質並沒有被物理定律排除在外，儘管尚不清楚是否可以組裝足夠多的反引力物質來穩定蟲洞 [參見勞倫斯·H·福特和托馬斯·A·羅曼的《負能量、蟲洞和翹曲驅動》；《大眾科學》，2000 年 1 月]。
很快，索恩和他的同事們意識到，如果可以建立一個穩定的蟲洞，那麼它可以很容易地變成時間機器。穿過一個蟲洞的宇航員可能不僅會出現在宇宙中的其他地方，還會出現在其他時間——在未來或過去。
為了使蟲洞適應時間旅行，可以將蟲洞的一個口拖到中子星並放置在其表面附近。恆星的引力會減慢該蟲洞口附近的時間，從而使蟲洞兩端之間的時間差逐漸累積。如果隨後將兩個口都停在太空中方便的位置，則此時間差將保持凍結。
假設差異是 10 年。一個朝一個方向穿過蟲洞的宇航員將跳入 10 年後的未來，而一個朝另一個方向穿過的宇航員將跳入 10 年前的過去。透過高速穿越普通空間返回他的起點，第二位宇航員可能會在他離開之前回到家。換句話說，空間中的閉環也可能成為時間中的環路。唯一的限制是宇航員不能回到蟲洞首次建造之前的時間。
製造蟲洞時間機器的一個巨大問題是首先建立蟲洞。可能太空自然地遍佈這種結構——大爆炸的遺蹟。如果是這樣，一個超級文明可能會徵用一個。或者，蟲洞可能會在微小的尺度上自然產生，即所謂的普朗克長度，大約比原子核小 20 個 10 的因子。原則上，這種微小的蟲洞可以透過能量脈衝來穩定，然後以某種方式膨脹到可用的尺寸。
審查！
假設可以克服工程問題，時間機器的生產可能會開啟因果悖論的潘多拉魔盒。例如，考慮一下訪問過去並謀殺了她小時候的母親的時間旅行者。我們如何理解這一點？如果這個女孩死了，她就不可能成為時間旅行者的母親。但如果時間旅行者從未出生，他就無法回去謀殺他的母親。
當時間旅行者試圖改變過去時，就會出現這種悖論，這顯然是不可能的。但這並不能阻止某人成為過去的一部分。假設時間旅行者回去並從謀殺中救出一個年輕女孩，這個女孩長大後成為他的母親。因果迴圈現在是自洽的，不再是悖論。因果一致性可能會限制時間旅行者的行為，但它並不會排除時間旅行本身。
時間旅行帶來的離奇後果讓一些科學家直接否定了這一概念。劍橋大學的斯蒂芬·W·霍金提出了一個時間保護猜想，該猜想會禁止因果迴圈。由於已知相對論允許因果迴圈，時間保護將需要其他因素介入以阻止回到過去。這個因素可能是什麼呢？一種建議是量子過程會來解救。時間機器的存在將允許粒子迴圈進入它們自己的過去。計算表明，隨之而來的擾動將自我增強，產生失控的能量激增，從而摧毀蟲洞。
時間保護仍然只是一個猜想，因此時間旅行仍然是一種可能性。對這個問題的最終解決可能要等到量子力學和引力的成功結合，或許是透過諸如弦理論或其擴充套件——所謂的M理論。甚至可以想象，下一代粒子加速器將能夠創造出亞原子蟲洞，這些蟲洞能夠存活足夠長的時間，讓附近的粒子執行短暫的因果迴圈。這與威爾斯的時間機器願景相去甚遠，但它將永遠改變我們對物理現實的看法。
作者
保羅·戴維斯 是一位理論物理學家，也是悉尼麥考瑞大學澳大利亞天體生物學中心的自然哲學教授。他是最多產的科普物理書籍作家之一。他的科學研究興趣包括黑洞、量子場論、宇宙的起源、意識的本質和生命的起源。