如果你想回到过去……

高能预警

本文是从理论物理学上探讨如何有效地穿越，我们还从因果律上探讨了穿越的诸多问题，请您在本刊的时空中“穿越”到《X战警·逆转未来》的童节。

时间，对于我们每个人来说都是极为珍贵的。生命是一条单行道，过去的时光总是不再回来。在生命中的某一个时刻，可能我们每个人都会或多或少地臆想，假如能够回到过去，弥补先前所犯过的错误，重温美好时光，那该有多么美好啊。

秉承这一美好的愿望，很多电影对回到过去进行了精彩的描写：被外星人感染神秘能力，或是只需睡一觉，又或者借助先进的设备，就可以回到过去。这样奇特的事情，真的有可能吗？

回到过去的可能性

爱因斯坦广义相对论告诉我们，物质的存在会造成时空弯曲，物质质量越大，离物质越近，空间弯曲越厉害，时间流动越慢。1971年美国科学家哈菲勒（J.C.Hafele）和基廷（R.E.Keating）用几台铯原子钟进行了实验，一台放在地面作为参考钟，另外几台由飞机携带，在万米高空沿赤道环绕地球飞行。结果，在高空向西飞行的几台原子钟比地面的钟快0.3毫秒，与理论预言的结果吻合得非常好。重力小的地方，时间流逝速度的确较快。这一效应，在我们日常生活中也随处可见，那就是智能手机中的GPS接收器。它靠着接收离地面2万干米高的多颗GPS卫星发出的时间信号进行定位，由于相对论效应，卫星时钟每天比地面快约38微秒，如不调整，一天下来，GPS系统将累计约11千米的定位误差。因此，在设计GPS系统时，需要对卫星发出的信号进行相应调整。GPS系统，让我们每个人都无法忽视时空的弯曲。相对其他天体，地球质量微乎其微，地球上都能产生如此明显的时空弯曲，在质量更大的星体周围，时空弯曲现象更加强烈，会出现黑洞等特殊的时空结构。天文观测表明，大多数星系的中央，都有一个质量很大的超级黑洞。

如果物质分布足够奇怪，会出现更特殊的时空结构，连时间的方向也会因物质的拖曳而改变，变得弯曲。如果时空弯曲到一定程度，时间便可首尾相接，形成闭合曲线，叫做闭合类时曲线（CTC）。如果这样的闭合曲线存在，人们乘坐飞船沿着这种曲线进行正向时间旅行，就可以返回过去。

封闭的时间与封闭的空间是类似的。如果几个人分别沿着直线和圆向前走：直线是单向和不封闭的：圆是循环和封闭的；直线上的人只能向前走，他要么在某个人前面，要么在某个人后面。而圆上的人向前走一圈以后又会回到起始点，没有特定的前后：他既在某人的前面，又在同一个人的后面。广义相对论告诉我们，在某些特殊的时空中，时间就是这样循环的，向前走一段时间之后，又会回到过去，没有绝对的过去与未来。循环的时间里分布着一系列逻辑自洽的事件。如果你活得足够长，你会一遍又一遍地经历相同的事情，循环往复。电影里描述的就是这种现象。

这类匪夷所思的时空结构，很早就有人在研究。其中最有名的例子，莫过于爱因斯坦晚年的好友、奥地利数学家、逻辑学家哥德尔（Kurt Godel）于1949所发现的旋转宇宙封闭类时曲线了。在这个特殊的宇宙中，所有的物质沿着中心轴线在匀速转动，这种转动改变光锥的方向，光锥表示每一点所发出的光线所经过的地方。在黑洞周围，光锥也会受到类似的影响。如果我们乘飞船离开转动轴，光锥就开始倾斜，并扩大了开口；到一定距离处，光锥会完全翻倒，光线沿着开口朝下运动。这表明，时间开始向回走了。也就是说，飞船从地球向外加速运动一圈后，我们回到了过去的地球！

1974年美国物理学家梯普勒（Frank Tipler）发现，无限长柱体快速旋转，也可以对外部时空起拖曳作用，形成封闭类时曲线。戈特（J.Richard Gott）70年代也发现，无穷长的宇宙弦，也能产生封闭类时曲线。

到目前为止，这些理论都还只停留在理论阶段。以哥德尔宇宙为例，广义相对论的确允许封闭类时曲线的存在，但天文观测表明，我们所生活的宇宙并不存在整体旋转；而梯普勒圆柱和戈特的宇宙弦都要求无限长的物质分布，这在现实世界中是不可能的。即使宇宙在整体，飞船在宇宙中沿着封闭类时曲线飞行一周，至少需要数百亿年时间，时间旅行毫无意义。

时间循环中的因与果

虽然这些模型不能保证我们真正制作出返回过去的时空机器，但是，这些模型毕竟没有违反任何已有的物理规律。这与我们的直觉相冲突，一个最明显的问题是，如果时间是循环的，如何保证因果关系？比如：如果你能回到过去，将自己的祖父杀掉，这样你是如何出生的呢？这就是著名的“祖父悖论”。时间旅行是否存在某种根本缺陷？毕竟，无论你用什么方式回到真正的过去，你都不可避免地改变所回到的过去的某一时刻的事物，改变历史。

比如，你得占据一定的空间，而历史上的这一时刻该空间只有空气，并没有你自己的存在；你会改变当时的空气和电磁、重力场的分布；你走在过去某一时刻的道路上，你会改变历史的脚印、踩死历史上并未死亡的蚂蚁、小虫、微生物等等。

我们之所觉得时间旅行充满悖论，是因为我们总是习惯性地认为时间是单向流逝的，如果时间本身是循环的，那么一切都是自洽的。在循环时间中，本来就没有过去和未来之分，改变的不是过去，也不是未来，未来就是历史。你所改变的历史，本来就是历史本身。

这里有一个自洽的时间旅行例子。假想你回到过去，决定在宇宙中创造出一个悖论，向婴儿时期的自己开枪。当你正要扣动扳机时，婴儿从母亲的怀中摔了下来，由于婴儿时期的摔伤，你肩膀上形成的旧伤突然让你的胳膊痉挛，结果手枪射偏。枪声吓到你母亲，把小宝宝摔落在地上，摔伤了肩膀。在这个例子当中，历史是自洽的，没有悖论发生。

虫洞：连接两个不同的时空

高能预警

本文探讨的是理论物理学范畴下如何借助虫洞穿越，如果你不喜欢虫洞的话，请在本刊时空之内“穿越”至《星际穿越》章节。

如果重回过去在物理上是可能的，那么怎么才能做到呢？幸好，除了宇宙弦之外，还有其他重回过去的方式，那就是虫洞。如果把哥德尔宇宙的封闭类时曲线比作宇宙型的，虫洞型的封闭类时曲线则是局限在时空的某一些特定的区域中，不需要宇宙整体的转动或者长度无穷大的圆柱体或者宇宙弦。

虫洞是广义相对论中的另一特殊结构，它连接着两个不同时空区域。通过虫洞，可以快速穿越时空。到目前为止，虽然已有很多间接证据表明黑洞的存在，但尚未发现虫洞存在的证据。

早在1916年，爱因斯坦提出广义相对论的几个月之后，奥地利物理学家Ludwig Flamm就指出，当引力很强时，时空中会扭曲得很厉害，以至于两个不同的时空区域会连接在一起。1935年爱因斯坦和罗森在不知晓上述工作的情况下独立构造出这样的结构，后来这种结构就被称为爱因斯坦·罗森桥。六十年代时美国物理学家惠勒（J.Wheeler）给这种结构起了一个形象的名词：虫洞。惠勒认为，时空的结构会在能量极高的情况下改变，在极短的时间内（10^-35秒）产生出很多比电子还小很多倍的微观虫洞，这些虫洞存在于宇宙中几乎任何地方，每时每刻都在产生，很快又会消失，然后重新形成。比如，相互靠近的两个黑洞扭曲了时空，形成奇点（就是一个体积无限小，质量无限大，时空曲率无限大的地方）。特定条件下，奇点将融合形成虫洞。由于量子力学效应，虫洞不稳定，很快又会自动断开，重新出现两个黑洞。

稳定的虫洞通常需要有负能量的物质。一般情况下，当光线从虫洞上方的入口进入虫洞，会先向内汇聚，这是因为引力会扭曲时空，使光线偏离直线传播，就像透镜能够汇聚光线一样，这种引力透镜现象我们已经观察过很多次。而当光线穿过中间点开始离开虫洞时，光线开始发散，此时引力的效果不像凸透镜，而是像凹透镜，这表明这个时空区域存在的不是万有引力，而是万有斥力！通常，物体之间产生的都是万有引力；要出现斥力，只能要求物体质量为负，根据爱因斯坦质能量关系，物体能量也应该是负的。虽然，从宏观来看自然界不存在这种奇特的奇异物质，我们可以通过量子力学的卡什米尔效应来产生低于真空的能量，这相当于负能量。

从理论上来看，稳定的可穿越虫洞确实是可能制作出来的。我们可以先捕捉一个微观虫洞，用卡什米尔效应产生出负能量，将虫洞放大数亿亿亿倍，一个宏观稳定虫洞就诞生了。我们可以利用这个虫洞来快速到达遥远的星球，甚至回到过去。比如，我们把入口放在《科学Fans》编辑部，出口则放在一艘飞船内。今年元旦凌晨，飞船起飞并迅速达到光速。10年之后，飞船携带虫洞出口返回《科学Fans》，停留在编辑部门外。由于相对论效应，虫洞和飞船时间流逝很慢，只过了12小时，还处于2015年元旦。但是，从编辑部看来，2015年元旦中午12点这一时刻，飞船并未重返地球；只有等到10年后，飞船才会回来。此时年老的编辑，通过编辑部内部的虫洞入口进入虫洞，在极短时间内通过虫洞，再从编辑部门外的虫洞出口走出，编辑的时间跟飞船时间一样，年轻了十岁，回到了过去。当然，如果从相反的方向进入虫洞，编辑会迅速老去十岁的。不过，无论是谁，都不可能靠这个虫洞回到编辑部时间2025年元旦中午12点之前，因为只有在这一时刻虫洞才成为时间机器，我们不可能回到虫洞成为时间机器之前。

只是，计算表明，为维持虫洞稳定，需要在虫洞的特定位置放置足够多的负能量奇异物质。比如，如果要让飞船这样宏观的物体穿过，且不被虫洞巨大的潮汐力撕碎，需要的虫洞半径至少要达到地月距离，这需要质量相当于几万个太阳的负质量奇异物质。操控数量如此之巨的奇异物质，也许对于生活在可观测宇宙中的任何文明——哪怕是无限发达的文明，都是不太可能的吧。

除了需要大量负质量物质这一缺陷外，虫洞型时间机器还有另一个问题——量子起伏。一旦虫洞变大，微观量子效应造成的真空涨落会进入虫洞，在虫洞内来回穿越，能量越来越大，最终摧毁虫洞。比如，编辑部室内的灯光也会进入虫洞，并且通过虫洞重新回到编辑部。与先前的灯光叠加，然后重新进入虫洞，光的强度越来越大；不仅仅是光，所有其他的辐射都会获得这样的增强，强度如此之大，以至于摧毁虫洞。不同的虫洞模型产生的辐射加强效果不太相同，通过恰当选取虫洞制作方式，我们可以减少虫洞的辐射。

霍金就非常希望能探讨时间旅行是否存在，2009年6月28日，他在剑桥大学举办了一场欢迎宴会，希望能够有时间旅行者从未来穿越回来。他写好了邀请函，注明了准确的时间和空间坐标，希望未来一天有人会发现邀请函上的信息，利用虫洞时间机器回到宴会，证明时间旅行将来是可行的。遗憾的是，并没有时间旅行者穿越回来与霍金先生聚会。这倒也不奇怪，毕竟，我们在前面编辑部的例子中也看到了，时间机器最多也只允许旅行者回到时间机器开始启动的时刻。

什么是量子力学？我用调侃的方式来回答：不自量力的人就不要去学的科学就叫量子力学。这东西有多难呢？有一位量子力学教授曾经这么说：本科的时候以为自己了解的全部，硕士的时候发现自己开始有点糊涂，等到了博士的时候才发现自己简直是个白痴……等在美国混了几年，回国教书若干年，实验室待了若干年以后，觉得自己终于有那么一点懂了。

换言之，这是一门智商不够绝不可触碰的学科。曾几何时，有一位读者强烈要求加猫哥的QQ并说要探讨量子力学，猫哥毫不犹豫地拒绝并留下理由：我不懂。这里也说一句非常刻薄但十分有真相的话，如果有哪个谁要跟你聊什么量子力学，那么他一定是在装自己那什么（你懂的）。

至于为什么会放上这张照片，你仔细瞅瞅看里面都是些什么人——史上最强大脑的合影。1927年索尔维会议，于索尔维物理研究所外，爱因斯坦、普朗克、居里夫人、薛定谔、泡利、狄拉克、波恩、德布罗意……他们“折磨”着你的物理考试成绩，但他们也共同开创了许许多多全新的领域。而这一次会议，正是他们空前绝后地聚在一起来探讨当时刚新兴的量子力学。