秦建

超高速飛船：面向未來的時間機(jī)器

包括斯蒂芬·霍金和基恩·索普在內(nèi)的許多物理學(xué)家都認(rèn)為，時間旅行并不違反現(xiàn)有物理定律。但像電影中所說的那樣，借助“量子領(lǐng)域”回到過去并不科學(xué)。因?yàn)榱孔恿W(xué)是研究微觀領(lǐng)域的，跟宏觀的時間和空間沒有關(guān)系。想要找到時間旅行的理論依據(jù)，還要從愛因斯坦的相對論入手。

1905年，愛因斯坦提出狹義相對論。在此之前，科學(xué)家們相信時間和空間不受任何物質(zhì)及運(yùn)動的影響。在這種絕對時空觀里，時間旅行不具備理論基礎(chǔ)。但在狹義相對論誕生后，科學(xué)家驚訝地發(fā)現(xiàn)，時間和空間不再是絕對的概念，而是可以改變的，這就為時間旅行提供了可能性。

狹義相對論指出，時間流逝的速度與物體的運(yùn)動速度成反比，即物體的運(yùn)動速度越快，其時間流逝的速度就越慢。這樣一來，超高速飛船就成為航向未來的時間機(jī)器。這里的超高速不是與飛機(jī)和火箭作比較，而是30萬千米/秒的光速。計(jì)算表明，以光速的99.995%飛行10年，5年往外飛，5年往回飛，對于飛船上的宇航員來說，只過了10年;但當(dāng)他回到地球時，地球上已經(jīng)過了1000年。此時，他熟悉的一切都已蕩然無存。飛船速度越快，能夠抵達(dá)的未來也就越遙遠(yuǎn)。假如飛船以光速的99.99995%在宇宙中飛行10年，回到地球時，10000年就已經(jīng)過去了。

復(fù)仇者聯(lián)盟借助通道回到過去尋找原石

但實(shí)現(xiàn)近光速飛行面臨著一個關(guān)鍵性的問題：飛船的燃料?，F(xiàn)在的火箭都使用化學(xué)能，要使火箭推動的航天飛機(jī)達(dá)到光速的1/250，則所需化學(xué)燃料就會超過整個已知宇宙的總和。核聚變火箭的速度能夠達(dá)到光速的1/20，若想要達(dá)到這個速度，則氫燃料的質(zhì)量應(yīng)為飛船的57倍;若想要達(dá)到光速的1/2，則飛船必須攜帶超過自身質(zhì)量59000倍的氫燃料。由物質(zhì)與反物質(zhì)湮滅而形成的輻射具有比核聚變更高的動能。計(jì)算表明，1千克反物質(zhì)燃料提供的能量和100千克的氫燃料相差無幾，想把飛船加速到光速的99%，只需要13倍于飛船質(zhì)量的反物質(zhì)燃料。因此，從理論探討到現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造還有很遠(yuǎn)的路要走。人類對于時間旅行的幻想，就好比古人剛剛學(xué)會鉆木取火，就幻想制造火藥。

另外，狹義相對論為面向未來的時間旅行開啟了大門，卻沒能為重返過去的時間旅行提供同樣的理論可行性。在狹義相對論中，只有超光速的運(yùn)動才可能導(dǎo)致時間倒流，回到過去。但狹義相對論成立的前提就是光速，30萬千米/秒是我們這個宇宙的速度極限。在狹義相對論的時空體系里，沒有任何已知的物理過程能夠使物體進(jìn)入超光速狀態(tài)，也就是說沒有時間旅行家可以重返過去。

蟲洞：通往另一個時空的快捷通道

如果時間機(jī)器存在，它真正獨(dú)特的價值不在于面向未來，而在于重返過去。因?yàn)榧词共怀俗咚亠w船，我們每一個人也在一分一秒地奔向未來。假設(shè)可以重返過去，那么重返過去的路又在哪里呢？

復(fù)仇者乘坐戰(zhàn)機(jī)穿梭于星球之間

1915年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論。在廣義相對論中，時間和空間依賴于物質(zhì)的分布與運(yùn)動。由此得出一個結(jié)論：時空在某種意義上就像流體一樣會受到運(yùn)動物質(zhì)的拖曳，甚至連時間的方向都有可能因拖曳而改變。這種對時間方向的拖曳如此顯著，以至于可以把未來的方向拖曳成過去的方向，甚至可以讓不同的時間方向首尾相接，連成一條“閉合類時曲線”。如果你乘坐飛船沿這樣的曲線作一次為期10年的旅行，那么在旅行結(jié)束時你不僅會回到飛船出發(fā)的地方，并且還會遇見10年前整裝待發(fā)的自己。這就是我們渴盼已久的面向過去的時間機(jī)器。

幾十年來，物理學(xué)家們在廣義相對論中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些“閉合類時曲線”的解。“閉合類時曲線”太過專業(yè)與拗口，有科學(xué)家給它起了一個通俗易懂的名字，這就是為讀者所熟悉的“蟲洞”。

在球體表面從一個點(diǎn)到另一個點(diǎn)需要走一條弧線，但如果有蛀蟲在這兩點(diǎn)之間蛀出了一個蟲洞，那么通過蟲洞就可以在這兩點(diǎn)之間走直線，這顯然要比原先的弧線近得多。把這個情景從球體表面推廣到物理時空，就是物理學(xué)家們所說的“蟲洞”。

諾貝爾物理學(xué)獎獲得者基恩·索普和他的同事研究發(fā)現(xiàn)，“蟲洞”不僅是空間旅行的通道，而且還可以作為時間旅行的工具。只要讓“蟲洞”的出入口以接近光速的速度作適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動，就可以將“蟲洞”轉(zhuǎn)變成時間機(jī)器。

“蟲洞”其實(shí)有很多種類型，多數(shù)“蟲洞”都極小，極不穩(wěn)定，剛一出現(xiàn)就會消失。一個可穿越的“蟲洞”，首先必須開放足夠長的時間，而這需要“蟲洞”中存在某種能量為負(fù)的奇特物質(zhì)。

問題又出現(xiàn)了：有負(fù)能量的物質(zhì)嗎？答案是肯定的。1948年，荷蘭物理學(xué)家卡什米爾就發(fā)現(xiàn)了負(fù)能量物質(zhì)。真空中的量子漲落（在空間任意位置能量的暫時變化）具有能量，如果某種物質(zhì)的能量低于周圍空間的量子漲落能量，那么這種物質(zhì)具有的能量就是負(fù)能量。不幸的是，人類目前能制造出來的負(fù)能量物質(zhì)實(shí)在是太少了，根本無法維持“蟲洞”的開放：維持一個“蟲洞”所需的負(fù)能量幾乎相當(dāng)于一顆普通恒星在一年中釋放出的全部能量。所以，“蟲洞”這個面向過去的時間機(jī)器目前還只是停留在美好的科學(xué)幻想中。

時間旅行：祖父悖論與可以拯救的歷史

時間旅行隧道

暫且不管復(fù)仇者聯(lián)盟的超級英雄們以何種方式回到過去—最終他們兵分三路回到了不同的時間和地點(diǎn)，去收集原石，防止它們落入滅霸之手。但新的問題馬上出現(xiàn)了：既然他們回到過去帶走了全部的六顆原石，那后來的滅霸又是從哪兒收集的原石？電影試圖用“平行宇宙”來解釋，但整個劇情始終沒有講清楚。

時間旅行的科學(xué)幻想固然美好，但種種悖論卻有可能阻止時間旅行者的腳步。比如，著名的祖父悖論：假如你回到過去，在自己父親出生前把自己的祖父母殺死，那你又是從哪兒來的？

斯蒂芬·霍金曾經(jīng)提出這樣一個問題：假如時間旅行是可能的，那么為什么在我們的周圍至今都沒有發(fā)現(xiàn)來自未來世界的時間旅行者呢？這個問題的潛臺詞是：時間旅行可能從來沒有實(shí)現(xiàn)過。

許多物理學(xué)家思考了斯蒂芬·霍金的問題，并且提供了一種可能的回答：時間機(jī)器即使可以被建造出來，也不可能使時間旅行者回到時間機(jī)器建造之前。假如2200年有人建造出了時間機(jī)器，則時間旅行者只能訪問2200年之后的年代，而無法來到2019年，更無法回到侏羅紀(jì)去看恐龍。物理學(xué)家格林說：“在時間機(jī)器建造成功之前的每一個年代，都將成為我們以及我們的子孫后代永遠(yuǎn)無法觸及的歷史?！奔慈绻麜r間旅行是可能的，則早一天建造出時間機(jī)器就可以多拯救一天歷史。

綜上所述，我們可能會由于現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)的缺乏和種種悖論而對時間旅行感到失望，但我們也應(yīng)該認(rèn)識到：研究時間旅行一個很重要的動機(jī)就是要探索物理定律的邊界，探索物理定律如何解釋最離奇的現(xiàn)象，即使最終證實(shí)時間旅行不能實(shí)現(xiàn)，我們也能從中收獲很多。

（責(zé)任編輯/江盼 ?美術(shù)編輯/劉強(qiáng)）