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时间旅行: 科学还是幻想？ (上)
- 卢昌海 -
本文应《科幻世界》杂志的约稿而写， 是 虫洞: 旅行家的天堂还是探险者的地狱？
一文的姊妹篇。 本网站版本在人名及某些术语第一次出现时附有英文， 并带有较多的注释。
一. 从《时间机器》讲起
众所周知， 迄今为止人类在空间与时间上获得的自由度是很不相同的。 我们可以沿空间方向作自由运动，
却无法随意驾驭时间。 时间就像一条漫漫长河， 世间万物仿佛河里的漂浮物， 只能随波逐流。
现实的尽头往往就是幻想的起点。 如果时间是一条长河， 那么在这长河之中是否能有船只呢？ 漂浮物只能随波逐流，
船只却可以劈波斩浪。 如果时间长河中能有船只， 我们就可以乘坐这种船只进行时间旅行， 既可以窥视未来，
也可以重返往昔， 说不定还能改变历史。 在科幻小说中， 这种假想的船只被称为 “时间机器”。
有关时间机器最早、 最著名的小说是英国科幻作家威尔斯 (H. G. Wells) 的《时间机器》(The Time Machine)，
发表于 1895 年。 不过， 威尔斯并不是最早触及时间旅行这一题材的作家， 在他之前已经有许多作家涉足过这一题材，
其中甚至包括美国讽刺小说家马克·吐温 (Mark Twain)， 他发表于 1889 年的《康州美国佬在亚瑟王朝》(A
Connecticut Yankee in King Arthur's Court) 据说是最早涉及逆向时间旅行的小说。
但在那些比威尔斯更早的文学作品中， 普遍没有使用像时间机器这样一种可以让人选择 “目的地” (确切地讲是 “目的时间”)
的旅行器， 并且也极少对时间旅行的机制作哪怕只是科幻意义上的说明。 而威尔斯的《时间机器》在这两方面都是突破性的，
它很快引起了读者们的巨大兴趣， 并于 1960 及 2002 年两度被拍成电影，
英国甚至为《时间机器》出版 100 周年发行过纪念邮票。
威尔斯写作《时间机器》的时侯， 爱因斯坦 (Albert Einstein) 的相对论尚未被提出，
人们对时空的理解大体上还停留在牛顿 (Isaac Newton) 的绝对时空观上[注一]。
但威尔斯却在《时间机器》一书中令人吃惊地提出了将时间作为第四维的观点，
与十年后到来的相对论时空观作了戏剧性的遥相呼应。
威尔斯将时间视为第四维， 目的是要通过将时间与空间类比来为时间旅行开绿灯。
那么现代物理学认可这个绿灯吗？ 这就是本文所要讨论的内容。
二. 面向未来与重返过去
我们知道， 在牛顿的绝对时空观里， 时间和空间不受任何物质及运动的影响 (这是 “绝对” 的主要含义所在)。
很明显， 在这样的时空观里， 时间旅行不具有理论基础，
它的存在只是一种幻想。 但是狭义相对论的提出对时空观产生了一次重大变革。 在狭义相对论中，
时间和空间不再是绝对的概念， 而是与参照系的选择密切相关。 特别是， 在运动参照系中时间的流逝会变慢，
这是著名的时间延缓效应， 它的存在已被大量物理实验所证实。
狭义相对论所带来的这种新结果， 为时间旅行开启了第一种具有理论依据的可能性： 那就是面向未来的时间旅行成为了可能。
按照狭义相对论， 如果有人想要到未来去旅行， 他所需要的时间机器就是一艘能以接近光速的高速度运行的飞船。
想要到达的未来越遥远， 飞船所需达到的速度就越高。 如果他想在 20 年 (飞船上的时间) 的飞行之后到达两万年
(地球上的时间) 后的地球上， 他所要做的就是让飞船以相当于光速 99.99995% 的速度飞行 10 年， 然后以相同的速度往回飞。
那么 20 年后， 当他回到地球时， 地球上的日历已经翻过了整整两万年， 他可以如愿以偿地看到两万年后的人类社会
(如果那时侯人类社会还存在的话)。 可以想象， 这样一位来自远古的旅行家将会受到未来的历史学家和考古学家们何等热烈的欢迎。
事实上， 不仅未来的历史学家和考古学家将会非常欢迎这样的时间旅行家，
与这位时间旅行家同时代的人又何尝不希望他能把自己看到的未来世界的情形带回给大家呢？
可惜的是， 狭义相对论为面向未来的时间旅行开启了大门， 却没能为重返过去的时间旅行提供同样的理论可行性。
如果一定要对狭义相对论的数学框架做广义诠释的话， 那么只有超光速的运动才可能导致某一类参照系中的时序被颠倒。
但是狭义相对论本身在亚光速与超光速之间设置了一个光速壁垒，
没有任何已知的物理过程能够使原本亚光速运动的物体——包括人——进入超光速运动状态。
因此在狭义相对论的理论框架内， 时间旅行家可以到达未来， 但却不能重返过去，
这与我们在空间中自由自在的运动相比， 显然是差得很远的。 而且， 面向未来的时间旅行不一定需要时间机器才能做到，
通过将旅行者冷冻若干年再解冻的手段也可以达到同样的目的。 因此时间机器如果存在的话，
它真正独特的价值不在于面向未来， 而在于重返过去。
那么重返过去的路在哪里呢？
在狭义相对论之后又过了 10 年， 爱因斯坦提出了广义相对论。 在广义相对论中，
时间和空间不仅如狭义相对论中一样与参照系的选择密切相关， 而且还有赖于物质的分布和运动。
由此产生的一个不同于狭义相对论的重要结果是： 我们对 “未来” 的定义不再是绝对的了， 它会受到物质运动的影响。
在不同时刻、 不同地点， “未来” 有可能指向不同的方向。 这是一个奇妙的结果，
它表明时空在某种意义上就像流体一样会受到物质运动的拖曳， 甚至连时间的方向都有可能因拖曳而改变。
既然时间的方向可以被物质的运动所拖曳， 那么有没有可能存在某种物质的分布与运动，
它对时间方向的拖曳如此显著， 以至于把未来方向拖曳成过去方向， 甚至让不同的时间方向首尾相接， 连成一条闭合曲线呢？
这样的闭合曲线如果存在， 无疑就是一种时间机器。 因为沿这种曲线运动的飞船每时每刻都在做正常的飞行，
感受到正向的时间流逝， 但它的轨迹却不仅在空间上， 而且会在时间上回到出发点。
如果你乘坐飞船沿这样的曲线做一次为期 10 年的旅行[注二]，
那么在旅行结束时你不仅会回到飞船出发的地方， 并且会遇见 10
年前整装待发的自己[注三]！ 物理学家们把这种奇妙的曲线称为 “闭合类时曲线”，
它是时间机器这一科幻术语在广义相对论中的代名词。 倘若存在闭合类时曲线， 时间旅行就有了理论上的可能性。
那么在广义相对论中， 是否存在闭合类时曲线？ 或者确切地说， 是否存在使闭合类时曲线成为可能的物质分布与运动呢？
对这个问题， 物理学家们做了许多研究。
三. 广义相对论与时间旅行
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二零零六年二月二十六日写于纽约
二零零六年七月一日发表于本站
二零一四年十二月六日最新修订
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