自從H. G. 威爾斯在1895年寫出他著名的科幻小說《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？是否有可能製造出一臺可以把人送回過去或未來的機器？
幾十年來，時間旅行一直處於受人尊敬的科學邊緣。然而，近年來，這個話題在理論物理學家中已經成為一種小型產業。其動機部分是娛樂性的——思考時間旅行是很有趣的。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。如果即使在原則上不受限制的時間旅行是可能的，這種統一理論的性質可能會受到極大的影響。
我們對時間的最佳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，無論他們的物理狀況如何，對每個人都是一樣的。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，兩個運動方式不同的觀察者將在相同的兩個事件之間經歷不同的持續時間。
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這種效應通常用雙生子悖論來描述。假設莎莉和山姆是雙胞胎。莎莉登上了一艘火箭飛船，高速飛往附近的一顆恆星，然後轉身飛回地球，而山姆則待在家裡。對莎莉來說，這段旅程的持續時間可能是一年，但當她返回並走出飛船時，她發現地球上已經過去了10年。她的哥哥現在比她大九歲。儘管莎莉和山姆出生在同一天，但他們不再是同一年齡了。這個例子說明了一種有限的時間旅行。實際上，莎莉已經跳躍到了地球的未來九年。
時差
這種效應，被稱為時間膨脹，發生在兩個觀察者彼此相對運動時。在日常生活中，我們不會注意到奇怪的時間扭曲，因為只有當運動接近光速時，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納秒——幾乎不是威爾斯式冒險的程度。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，前往未來是已被證明的事實，即使到目前為止它還是以相當不刺激的量存在的。
要觀察到真正顯著的時間扭曲，人們必須超越普通經驗的領域。亞原子粒子可以在大型加速器機器中以接近光速的速度推進。其中一些粒子，例如μ子，具有內建時鐘，因為它們以確定的半衰期衰變；根據愛因斯坦的理論，觀察到加速器內部快速運動的μ子以慢動作衰變。一些宇宙射線也會經歷壯觀的時間扭曲。這些粒子的運動非常接近光速，以至於從它們的角度來看，它們在幾分鐘內穿過星系，即使在地球的參考系中，它們似乎需要數萬年。如果時間膨脹沒有發生，那些粒子將永遠無法到達這裡。
速度是跳躍到未來的方法之一。引力是另一種。在廣義相對論中，愛因斯坦預測引力會減慢時間。在閣樓裡的時鐘比在地下室裡的時鐘走得快一些，地下室更靠近地球中心，因此更深入引力場。同樣，太空中的時鐘比地面上的時鐘走得快。這種效應再次微乎其微，但已經使用精確的時鐘直接測量過。事實上，這些時間扭曲效應必須在全球定位系統中加以考慮。如果不是這樣，水手、計程車司機和巡航導彈可能會發現自己偏離航線許多公里。
在中子星表面，引力非常強，時間相對於地球時間減慢了大約30%。從這樣一顆恆星的角度來看，這裡的事件會像快進的影片。黑洞代表著終極的時間扭曲；在黑洞表面，時間相對於地球靜止。這意味著，如果你從附近掉進黑洞，在你到達表面的短暫間隔內，在更廣闊的宇宙中，永恆的時間將流逝。因此，就外部宇宙而言，黑洞內部的區域超出了時間的盡頭。如果宇航員可以非常靠近黑洞並毫髮無損地返回——誠然，這是一個虛構的，更不用說冒失的，前景——他可以跳躍到遙遠的未來。
我的頭在暈
到目前為止，我一直在討論前往未來。那麼回到過去呢？這更成問題。1948年，新澤西州普林斯頓高階研究所的庫爾特·哥德爾提出了愛因斯坦引力場方程的一個解，描述了一個旋轉的宇宙。在這個宇宙中，宇航員可以透過空間旅行到達他自己的過去。這是因為引力影響光的方式造成的。宇宙的旋轉會拖動光（因此也會拖動物體之間的因果關係）隨之旋轉，從而使物質物體可以在空間中以閉環形式移動，這也在時間上形成了閉環，而不會在粒子的直接鄰域內的任何階段超過光速。哥德爾的解決方案被視為數學上的好奇心——畢竟，觀察結果並沒有表明宇宙整體在旋轉。然而，他的結果表明，相對論並沒有禁止回到過去。事實上，愛因斯坦承認，他的理論在某些情況下可能允許前往過去的想法困擾著他。
在科幻小說中，蟲洞有時被稱為星門；它們提供了空間中兩個遙遠點之間的捷徑。跳過一個假設的蟲洞，你可能會在稍後在銀河系的另一端出現。蟲洞自然適合廣義相對論，由此引力不僅扭曲時間，還扭曲空間。該理論允許連線空間中兩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重連通空間。正如穿過山下的隧道可以比地面街道更短一樣，蟲洞可能比透過普通空間的通常路線更短。
卡爾·薩根在他1985年出版的小說《接觸》中使用了蟲洞作為虛構的工具。在薩根的提示下，加州理工學院的基普·S·索恩和他的同事們著手尋找蟲洞是否與已知的物理學相一致。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。但是，與黑洞提供前往無處的可怕單程旅程不同，蟲洞會有出口和入口。
在迴圈中
為了讓蟲洞可以穿越，它必須包含索恩所說的奇異物質。實際上，這是一種可以產生反引力的物質，以對抗大規模系統在其強烈的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。已知在某些量子系統中存在負能量狀態，這表明物理定律並未排除索恩的奇異物質，儘管尚不清楚是否可以組裝足夠的反引力物質來穩定蟲洞。
不久，索恩和他的同事意識到，如果可以建立一個穩定的蟲洞，那麼就可以很容易地將其變成時間機器。一個穿過蟲洞的宇航員可能會不僅出現在宇宙中的其他地方，而且還會在其他時間出現——無論是過去還是未來。
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上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，從而使蟲洞末端之間的時間差逐漸累積。如果兩個蟲洞口隨後都停在空間中的一個方便的位置，則此時間差將保持凍結。
假設差異為10年。一個朝一個方向穿過蟲洞的宇航員會跳到未來10年，而另一個朝相反方向穿過的宇航員會跳到過去10年。透過以高速穿過普通空間返回其起點，第二個宇航員可能會在他離開之前回到家中。換句話說，空間中的閉環也可能成為時間上的環。唯一的限制是，宇航員不能回到蟲洞首次建立之前的時間。
製造蟲洞時間機器的一個巨大問題是首先要建立蟲洞。也許空間中自然地存在著這樣的結構——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，蟲洞可能會以微小的尺度自然產生，即所謂的普朗克長度，大約是原子核的20倍10倍小。原則上，這樣的微小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。
被審查！
假設工程問題可以被克服，時間機器的生產可能會開啟一個充滿因果悖論的潘多拉魔盒。例如，考慮一位時間旅行者回到過去並謀殺了他年輕時的母親。我們如何理解這一點？如果這個女孩死了，她就不能成為時間旅行者的母親。但是，如果時間旅行者從未出生，他就無法回到過去並謀殺他的母親。
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。假設時間旅行者回到過去並從謀殺中救出一個年輕女孩，而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能夠做什麼，但它並不排除時間旅行本身。
即使時間旅行不是嚴格的悖論，它也肯定是奇怪的。考慮一下這樣一位時間旅行者，他向前跳了一年，並在未來版的《大眾科學》中讀到關於一個新數學定理的文章。他記下細節，回到他自己的時代，並將該定理教給一位學生，然後這位學生將其寫成文章發表在《大眾科學》上。這篇文章當然是時間旅行者讀過的那篇。那麼問題來了：關於這個定理的資訊從哪裡來的？不是來自時間旅行者，因為他只是讀過它，也不是來自學生，因為他從時間旅行者那裡學到了它。這些資訊似乎無緣無故地憑空出現。
時間旅行的奇異後果導致一些科學家徹底否定了這個概念。劍橋大學的斯蒂芬·霍金提出了一個時間順序保護猜想，該猜想將禁止因果迴圈。由於已知相對論允許因果迴圈，時間順序保護將需要其他因素介入以防止回到過去旅行。這個因素可能是什麼？一種建議是量子過程會來救援。時間機器的存在將允許粒子迴圈回到自己的過去。計算結果暗示，由此產生的擾動將變得自我增強，產生失控的能量激增，從而破壞蟲洞。
時間順序保護仍然只是一個猜想，因此時間旅行仍然是一種可能性。這個問題的最終解決可能需要等到量子力學和引力的成功結合，也許是透過弦理論或其擴充套件，即所謂的M理論。甚至可以想象，下一代粒子加速器將能夠建立亞原子蟲洞，這些蟲洞可以存活足夠長的時間，以便附近的粒子執行短暫的因果迴圈。這與威爾斯的時光機器的願景相去甚遠，但它將永遠改變我們對物理現實的看法。
作者
保羅·戴維斯是亞利桑那州立大學超越：科學基本概念中心的主任。他是一位理論物理學家和宇宙學家，同時也從事天體生物學領域的研究。他是物理學領域最多產的通俗讀物作家之一。他的科學研究興趣包括黑洞、量子場論、意識的本質以及生命的起源和進化。