時間旅行之謎

穿越到未來

我們今天來講時間旅行之謎。要把這個問題給講清楚，最重要的事情莫過于把時間到底是什么給講清楚。

大概自人類文明誕生以來，對于時間到底是什么的討論就從來沒有停歇過。古代的智者有過很多精彩的論述，比如，孔老夫子站在泗水邊，望著奔流的大河，留下一句著名的話：“逝者如斯夫，不舍晝夜。”他的意思是說，時間就像連綿不斷的河水，晝夜不停地在流動著。與孔老夫子類似，英國的大物理學家牛頓也把時間比作河流，永不停歇地流逝。時間的流動似乎是獨立于人的感受之外的存在。對每個人來講，流逝的速度都是一樣的。我們只能在時間的這條大河里隨波逐流。我們是沒有辦法改變這條河流的流速的。牛頓的時間觀念被后人稱作“絕對時空觀”，在這種觀念之下，時間旅行當然是絕對不可能的。

但是德國的數學家和哲學家萊布尼茨不認同牛頓的思想。他認為，時間不過是一系列事件的順序排列罷了。假如沒有任何事件發生，時間也就沒有任何意義。他們誰對誰錯，一時間眾說紛紜。但是，僅僅從哲學思辨的角度去討論，基本上也只能泛泛地空談，對于解決實際問題來說，似乎也沒有太多的幫助。

當時間走到了20世紀初，在瑞士伯爾尼專利局，有一個不起眼的三級專利員也開始思考起了時間的問題。他就是愛因斯坦，正是他徹底顛覆了人們的時間觀念。愛因斯坦的核心理念是，去糾結時間的定義到底是什么沒有意義，人類的語言是無法準確描述時間這樣的事物的。研究時間的正確姿勢應該是換個思路，我們只關心怎么測量時間，而不去糾結于時間到底是什么。

至于時間到底是什么，根本就不是人類的語言所能夠描述清楚的，但我們可以把時間測量的方法定義出來，那么測量出來的值就是時間的數學意義，就能夠指導我們對世界作出預言。

把這個概念理清楚之后，很多事情一下子就變得豁然開朗了。那么到底怎么測量時間呢？愛因斯坦認為，任何有精確周期性運動的東西都可以用來測量時間，只是測量精度不同而已。例如，用心跳就可以測量時間，我們完全可以創造一個時間單位叫“跳”，然后我們就可以說火車從A地運行到B地需要多少跳。只不過這種測量方式就會顯得很粗糙，因為每個人心跳并不都是同步的，有些人快有些人慢，而且就是同一個人的心跳也時快時慢，所以，用心跳來作為時間單位就太粗糙了，不合適。我們也可以用太陽的東升西落來測量時間，這就精確得多了，那么一次東升西落的時間單位就可以記作一天；我們也可以用鐘擺的來回擺動來測量時間，擺動了多少個周期，就是多少個時間單位。總之，一樣事物的周期性運動越是穩定、精確、快速，用它來測量時間，得到的數值精度就越高。

接下來，愛因斯坦就根據前人做出的很多物理實驗的結果，作出了一個開天辟地的大膽假設，這個假設現在很多人都耳熟能詳，對的，就是光速不變，準確地說就是真空中的光速永恒不變，而且還有一個定語，無論你用什么方式去測量，也無論你用于測量光速的物體本身處在怎樣的運動狀態，在排除了測量物本身的誤差后，得到的數值總是不變的。只要采用的測量方式不變，真空中光速的數值就不會變。

說實話，絕大多數人在第一次聽到我上面這段很是繞口的話之后，并沒有什么感覺，甚至根本就沒有領會為什么我們說這是一個非常大膽，甚至是離經叛道的假設。不舉具體的例子是很難把深奧的科學道理講淺顯的。

我要借助一個具體例子給你再講一遍愛因斯坦的大膽假設。現在，我們手里有兩個鐘擺，它們倆是嚴格同步擺動的，我現在把這兩個鐘擺一個放在地面上，一個放到一艘宇宙飛船上，宇宙飛船的飛行速度接近光速，在飛行的時候，飛船開了大燈，一束光從宇宙飛船的頭上照射出去了。愛因斯坦的假設是，不論是用地面上的鐘擺來測量這束光的速度還是用飛船上的鐘擺來測量光的速度，都應該是一樣的。速度的計算公式是距離除以擺動的次數。你可能會說，速度不是距離除以時間嗎？別忘了我們不知道時間是什么，我只是用來回擺了多少次來代表時間。擺動的次數多，我們就認為時間長，擺動的次數少，我們就認為時間少，我們只關心怎么測量時間，不關心時間到底是什么。于是，站在地面上的你就會發現，那束光離地面上的鐘擺的距離增量，總是會大于那束光離飛船上的鐘擺的距離增量，因為飛船上的鐘擺也在和光一起朝前運動。這樣一來，如果愛因斯坦的假設是正確的，結論就很奇怪了，要保證距離除以擺動次數的數值始終保持相同，就必然要求兩只鐘擺的擺動周期不相同了。可明明兩只鐘擺都在地面上的時候擺動周期是嚴格同步的啊。

你也可以把剛才這個例子中的鐘擺換成自己的心跳，假如你站在地面上，你的雙胞胎哥哥在宇宙飛船上，那么當你的心臟跳動了100次時，你哥哥的心跳可能只跳動了10次，具體是多少下，要看飛船的運動速度有多接近光速。

這個結論對于當時的物理學家們來說，要多奇怪就有多奇怪。這也就意味著，時間不是永恒不變的，是有可能隨著相對運動的速度不同而變化的。飛船上的一天有可能等于地面上的一年。

所以，用愛因斯坦的觀點來看，穿越到未來這種事情是有可能發生的，只要運動的速度足夠快，你想穿越到未來什么時候就可以穿越到什么時候。請大家注意一點，根據愛因斯坦的理論，只要你比別人運動得快，你的時間在別人看來就會更慢，只是程度不同而已。所以，哪怕你騎個自行車，也相當于在向著站著不動的人的未來穿越，只不過穿越的時間很少很少而已。

愛因斯坦的這個理論在科學界被稱為“狹義相對論”，在剛剛提出的時候，那當然是遭到了一片的反對聲。因為這個結論非常地反直覺，不論是哲學家還是愛因斯坦之前的科學家，自古以來都認為時間就是永恒流逝的，是獨立于我們的物質世界之外的東西。還有一個原因，畢竟愛因斯坦的這個理論是建立在光速不變這個假設上的，只有這個假設是成立的，后面的所有推論才是成立的，而這個假設到底是不是真的成立呢？至少在愛因斯坦剛剛提出理論的那會兒，大多數科學家是不贊同的。

但是，科學結論有一個最大的特點，那就是可以得到實驗的檢驗。不論多么怪異的結論，只要這個結論是可以被檢驗的，那就好辦，是對是錯，用實驗證據來說話。假如實驗的結果與理論預測的結果一致，那么就可以反過來證明愛因斯坦作出的大膽假設是正確的。其實，要作出一些大膽的假設并不難，膽大的人很多，但是要根據這個假設作出能夠被實驗檢驗的預言就非常難了。這也是判斷科學結論和非科學結論的一個標準。

那么，科學家們是否成功驗證了狹義相對論呢？穿越到未來有實驗證據嗎？答案是有的。第一次實驗是1971年，科學家們準備了兩組跳動周期完全一樣的原子鐘。一組停留在地面，一組搭乘航班做環球飛行，當飛機停下來后，兩組原子鐘記錄下來的跳動次數果然不同，而且具體的數值與愛因斯坦的理論計算值非常接近。你也可以把原子鐘的跳動想象成自己的心跳。后來，各種各樣更加精確的實驗被陸續完成，全都證明愛因斯坦是對的。

今天講的是“時間旅行之謎”的上節，科學已經向我們證明，穿越到未來是完全有可能的，只是很難很難。下一節我們要來談回到過去是不是也有可能呢？這才是更有意思的話題，也或許這才是你真正想知道的。

回到過去

上一節我們說了，科學家們已經證明，向前穿越到未來是完全有可能的，那么，能不能找到某種途徑回到過去呢？這個問題遠比穿越到未來要復雜得多。

1985年，著名的天文學家、科普達人卡爾·薩根寫了一本科幻小說，這是他一生中的唯一一本科幻小說，名字叫作《接觸》（Contact）。在這本小說中，因為情節需要，女主角要在很短的時間內抵達銀河系的中心，并且環游銀河系，所以，他需要設計一個時空穿越的基本原理。卡爾·薩根是一個科學家，他對自己的幻想要求很高，所有的幻想都要找到科學依據。

有些科學愛好者聽到這里，可能馬上就會想到，超光速就行了唄。確實，有很多科幻作家喜歡用超光速運動來穿越，但是作為嚴謹科學家的卡爾·薩根可不會這么干，因為超光速運動違反了我們已知的物理定律，用超光速來實現穿越是沒有什么科學依據的。一開始，卡爾·薩根的設想是從一個黑洞跳進去，從另外一個白洞噴出來。

黑洞是廣義相對論計算出來的一種奇特的天體。這個天體的表面引力非常大，以至于光都逃不出去。因此這個天體是黑的，很難被發現。愛因斯坦在1915年推導出了廣義相對論，這個理論把引力解釋為時空彎曲。地球繞著太陽轉也可以解釋為地球在彎曲的時空里走了一條最自然不過的路線。就像皮球滾下山坡，皮球也會自己找到一條最合適的路線一樣。

我們可以這樣理解黑洞，你把太陽周圍的時空想象為一個碗，地球就像一個小球在里面貼著碗壁轉圈圈。而黑洞不是個碗，是一個漏斗，如果小球已經掉進了中間的洞里，任憑小球轉得多么努力，也無法避免一直掉下去的命運。

無論是碗也罷，漏斗也罷，都是愛因斯坦場方程計算出來的一個解，實際上，這個場方程可以有無數個解。1935年，愛因斯坦和美國的助手羅森兩個人計算出了一個有趣的解，這個解就好像是個沙漏的形狀，相當于一個黑洞和一個白洞的漏斗喉部對接起來，這個結構被稱為愛因斯坦-羅森橋。在這個結構中，似乎可以從一個時空點跳躍到另外一個時空點，說通俗點就是時空的穿越。大家注意，我說的時空點跳躍就已經包括了時間和空間的跳躍。

卡爾·薩根當然是知道愛因斯坦-羅森橋的。他在寫小說的時候，就是按照這個設想，從一個黑洞跳進去，所有物質都壓向黑洞中間的奇點，然后從另外一個白洞里噴出來。這不就實現穿越了嗎？因為卡爾·薩根的本職工作并不是理論物理，他自己有點吃不準，于是他就去請教好朋友基普·索恩。這位好朋友就是2017年因為發現引力波而獲得諾貝爾獎的著名理論物理學家。索恩認為，愛因斯坦和羅森計算出來的那個結果是沒辦法進行穿越的，因為對接的喉部是堵死的，要想搞穿越只能靠蟲洞，說白了就是把喉部撐開，否者任何物質都無法通過，只有蟲洞，才有可能實現回到過去時間點的想法。

卡爾·薩根聽取了索恩的意見。這部小說非常成功，拿下了科幻界的最高獎——雨果獎。后來還拍成了電影，成了科幻史名著。索恩和他的學生也因此被激發起了對蟲洞的興趣，這才有了后來的著名科幻電影《星際穿越》。

1988年，索恩和學生莫里斯發表了一篇論文。這篇文章發表在了《美國物理學》雜志上。這本期刊的名頭聽上去很大，“國字號”的，其實只是給物理教師看的半科普雜志。經過他們的計算，搞出了一個真的可以穿越的解，似乎時空穿越是有物理學理論支持的。但是大家還是別高興得太早。索恩的蟲洞需要一樣特殊的物質，也就是負能量物質。

我們看到所有物質都是具有正能量的，正能量會使得時空彎曲，能量越集中，那么彎曲就越厲害，黑洞就屬于時空被完全封閉了起來。負能量物質是理論上存在的一種物質，它的作用剛好相反。因此蟲洞的喉部是可以用負能量撐開的，撐到足夠大，才能允許一個人鉆過去。

但是，根據計算，撐開一個半徑1厘米的蟲洞，就需要地球質量的負能量物質。1厘米的蟲洞是不能用來穿越的，只能用來偷窺。即便撐開一個幾十米的蟲洞，也不能用來穿越，因為如果人離開管壁距離不夠大，是會被撕碎的。起碼直徑要達到一光年這么粗才能安全地穿越。但這幾乎是一個不可想象的能量，因為哪怕要撐開一個半徑1000米的蟲洞，就需要相當于整個太陽質量的負能量物質了。

不過，從理論上來說，基普·索恩計算出來的蟲洞是個穩定存在的蟲洞，這種類型的蟲洞叫作“洛倫茲蟲洞”。你從洛倫茲蟲洞穿越，相當于抄近道走捷徑，但再短的捷徑也還是要花時間才能通過。還有另一種“歐幾里得蟲洞”。這種蟲洞描述起來就像科幻小說里面的“瞬移”，突然發生，突然消失。歐幾里得蟲洞需要極強大的磁場，只有高速旋轉的中子星周圍大概能有這么強大的磁場，但是我們顯然沒辦法去中子星邊上檢驗一下。

雖然基普·索恩認為蟲洞可以讓人回到過去，但是反對這種想法的科學家就更多了。他們的理由很簡單，回到過去會發生邏輯上的悖論，因而回到過去是不可能的。

比如說著名的“外祖母悖論”。假如你穿越回去，趁著你的外祖母生孩子之前殺死了她，那么，既然你母親的母親都不存在了，怎么會有你的出生，又怎么能有你回到過去殺死外祖母呢？這是一個無法解決的矛盾。

所以，已故的著名物理學家霍金就認為，我們的宇宙依賴于因果律，一定有某一條我們尚不知道的物理定律在保護著時序不被打亂，也就是說回到過去的時間旅行是無法完成的。

然而另外一些科學家則辯護說，我們堅信蟲洞的存在，也相信回到過去是可能的。邏輯矛盾也并不是完全無法解決，或許有這樣幾種可能性：

第一種：自由意識喪失說。就是說，你回到過去之后，就會完全被歷史所控制，你就會像一個不受自己支配的演員，只能按照寫好的劇本演戲。

第二種：時空交錯說。就是說，你回到的那個時空和真實的歷史時空是平行糾纏在一起的，但永遠不可能相交，你可以看見歷史，但不能影響歷史。是的，只能看，不能摸。

第三種：平行宇宙說。就是說，當你干下了任何改變歷史的事情時，宇宙就分裂成了兩個平行的宇宙，在我這個宇宙中希特勒最后自殺了，在你那個宇宙中希特勒最后成了全世界的統治者。

但你可能也會跟我一樣想到這樣一個問題，我們現在是沒有能力制造時間機器的，但是未來人呢？如果在遙遠的未來有人造出了時間機器，那么，那個人是不是就有可能乘坐時間機器回到現在或者以前的時代呢？但為什么我們從來沒有見到這樣的未來人呢？歷史上也從未記載有未來人光臨。假設未來無限遠的話，假設時間機器確實可以造出來的話，那么概率再小也應該有未來人回來了啊。有這個想法的人還真不少呢。2005年，為了慶祝國際物理年，同時也是為了慶祝相對論誕生100周年，美國麻省理工學院舉辦了一場“時間旅行者大會”，舉辦方鄭重地在報紙上刊登廣告，邀請未來的時間旅行者光臨會場，并且攜帶未來的物品作為證據。大會開了一天，確實來了很多“旅行者”，可惜沒有一個能讓人相信是“時間旅行者”。這些旅行者都辯稱時間旅行只能光著屁股旅行，就像施瓦辛格扮演的終結者那樣，所以他們沒有信物。

你別笑，這還真是支持回到過去派遇到的大麻煩。為此，有些科學家就猜想，或許，回到過去最多只能回到時間機器制造出來的那一天，時間機器就相當于是一個路標，沒有路標的時代就再也回不去了。

目前來說，是否能反向時間旅行依然是一個宇宙未解之謎，人們對時間的本質也還有很多的爭論。比如時間箭頭只有一個方向到底是不是一個牢不可破的宇宙法則呢？到底有沒有一條自然法則在保護著宇宙中的因果關系呢？這一切都在等待科學的解答。