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本文发表于《科幻世界》2006 年第 8 期 (科幻世界杂志社出版)。 本文的缩略版曾发表于《少年科学·十万个为什么》2014 年 6 月刊 (上海世纪出版股份有限公司少年儿童出版社出版)。

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时间旅行: 科学还是幻想? (下)

- 卢昌海 -

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四. 时间旅行与因果佯谬

有关时间机器的讨论除了探讨它的理论可行性外, 还有一个非常重要的方面, 那就是探讨时间机器假如存在, 我们能用它来做什么?

粗看起来, 这似乎不成之为问题, 既然能够做时间旅行, 那么到达目的时间之后自然应该是想做什么就可以做什么——只要不违反物理学定律。 但细想一下, 事情又不那么简单。 举个例子来说, 倘若时间旅行者回到自己出生之前, 他能够阻止自己父母的相识吗? 这似乎不需要违反任何物理学定律。 比如时间旅行者若在自己的父母相识之前, 向后来会成为自己父亲的那个人开枪, 子弹似乎完全可以在不违反任何物理学定律的情况下击中目标, 造成致命伤害。 但如果那样的行动成功了, 我们就会立刻陷入所谓的 “因果佯谬” (causality paradox) 之中。 因为如果时间旅行者的父母因为他的阻挠而没有相识, 那么世上就不会有他; 而世上如果没有他, 他又如何能够返回过去并阻止自己父母的相识呢? 像这样的佯谬在考虑时间旅行时数不胜数, 它们都起源于时间旅行对因果时序可能造成的破坏。

这类佯谬该如何解决呢? 在科幻小说或电影中, 解决的方式往往是通过各种巧合。 比如前面提到过的威尔斯的《时间机器》在 2002 年被拍摄成影片时, 或许是为了对主人公建造时间机器的动机做出某种说明, 导演增添了主人公情人被害, 他试图重返过去加以挽救的情节。 在那段情节中, 主人公想尽办法, 却总是顾此失彼, 他的情人总会以这样或那样的方式死去。 显然, 同样的手法也可以用来避免时间旅行者阻止自己的父母相识。 比方说当时间旅行者正要采取某种手段阻止父母相识时, 不小心踩到一块香蕉皮摔伤住进医院, 从而错过了时机[注一]。 这样的解决佯谬的方式被一些物理学家戏称为 “香蕉皮机制” (Banana Peel Mechanism)。 在 “香蕉皮机制” 下, 时间旅行者看似能够自由行事, 但每当其行为将要导致因果佯谬时, 总会受到某些看似偶然的因素干扰, 致使行为失败。

这种 “香蕉皮机制” 很适合编写戏剧性的故事情节。 但从物理学的角度讲, 很难想象物理学定律需要通过如此离奇巧合的方式来解决佯谬[注二]。 更何况, 香蕉皮机制还有一个致命弱点, 那就是它往往只着眼于保证一两个核心事件——比如影片《时间机器》中主人公情人的死亡, 或者我们所举的例子中时间旅行者父母的相识——的发生不会被时间旅行所改变, 却无法兼顾其它事件。 比如影片《时间机器》中主人公的情人以不同方式死亡会在当地报纸上留下不同的报道; 我们所举的例子中时间旅行者的摔伤住院也会在当地医院中留下相应的记录。 这些事件对特定的故事来说并不突出, 但从维护因果时序或历史的角度讲却与核心事件有着同等的重要性。 事实上, 自然界的各种事件之间存在着千丝万缕的联系, 任何看似微小的变化, 都有可能通过这种联系逐渐演变成重大事件, 这一点对混沌理论中的 蝴蝶效应 (Butterfly Effect) 有所了解的读者想必不会陌生[注三]

除香蕉皮机制外, 在一些科幻故事中还可以看到另外一种观点, 那就是在一定程度上放弃因果律, 以扩大时间旅行者的行动自由。 在这种观点下, 历史可以近乎随意地被改变, 并且改变的结果可以影响到现实世界中的许多事情。 科幻影片《频率》(Frequency) 体现的就是这种观点。 在那部影片中, 主人公虽然没有直接进行时间旅行, 但他通过与 30 年前去世的父亲建立联络, 具备了间接改变历史的能力。 在影片中, 历史事件的每一次改变都会直接改变 30 年后的现实世界。 比如由于历史事件的改变导致主人公母亲意外死亡, 30 年后主人公母亲的相片就会从相框中突然消失。 显然, 这种观点几乎等于放弃已知的物理学定律, 比试图保护现实的香蕉皮机制更为离奇。

五. 凝固长河与平行宇宙

像 “香蕉皮机制” 或放弃因果律这样的做法, 虽然也有物理学家表述过, 但总体来说, 它们与现实物理学定律之间的差距太大, 很少有物理学家会在没有足够证据的情况下, 对物理学定律做如此剧烈的变动。 对物理学家们来说, 更感兴趣的问题是: 在现有物理学定律的基础上, 能否理解或避免由时间旅行所可能导致的因果佯谬?

对于这一问题, 物理学家们尚未形成一致的看法。 我们在这里向读者介绍两种主要的观点。

第一种观点认为时间和空间是对物理事件的完整标识。 因此一旦时间和空间同时确定, 物理事件也就完全确定了。 从这个意义上讲, 如果我们把时间比作一条长河, 那它其实是一条凝固的长河, 它的每个截面——对应于一个确定时刻所有物理事件的全体——都是固定的, 就像电影胶片一样。 按照这种观点, 历史只能有一个版本, 如果时间旅行者能够回到过去, 唯一的可能是他原本就存在于过去。 这话听起来有点玄妙, 用平直一点的话说就是时间旅行者回到过去后所做的一切都只能精确地演绎历史上已经存在过的一个人。 如果他试图阻止自己父母相识, 却不小心踩到香蕉皮摔伤住了院, 那么在历史上就的确存在过这样一个人, 乘坐奇怪的机器从天而降, 很不幸地踩到香蕉皮摔伤住了院, 伤愈后又乘坐奇怪的机器离去。 换句话说, 时间旅行者并不能对历史做分毫的改变, 他甚至连历史的旁观者都不是, 因为他原本就是历史的一部分。 这种观点对于热衷时间旅行的人来说无疑是令人失望的, 因为如果一切都是不可改变的, 那么时间旅行也就失去了最重要的价值。

幸运的是, 第二种看待时间旅行的观点要开放得多, 这种观点来源于美国物理学家艾弗里特 (Hugh Everett III) 1957 年提出的一种奇特的量子力学诠释——多世界诠释 (many world interpretation)[注四]。 我们知道, 量子力学的一个重要特点就是对量子体系进行测量的结果往往是不唯一的。 那么, 一个具体的测量结果究竟是如何产生的呢? 物理学家们提出了许多不同的观点。 有些物理学家认为当我们对量子体系做测量时, 体系的状态会发生坍缩, 我们观测到的测量结果是一个坍缩后的状态。 在这种观点中, 状态的坍缩是一个不可预测的过程。 与之相反, 艾弗里特等人的多世界诠释则认为, 并不存在这种不可预测的状态坍缩, 量子测量的结果是世界分裂为一组平行宇宙。 所有量子力学中可能出现的测量结果都是真实存在的, 只不过它们分别存在于各自的平行宇宙而非单一世界中。 观测者所得到的测量结果, 只不过是他 (她) 所在的平行宇宙中的特定结果而已[注五]。 如果我们把这种观点运用到时间旅行中, 认为时间旅行者不仅跨越时间, 而且还跨越不同的平行宇宙, 那么所有的佯谬就都迎刃而解了[注六]。 比如时间旅行者阻止自己父母的相识就不再成为佯谬, 因为所有这一切都发生在一个不同的平行宇宙中。 在那个宇宙中他的父母原本就不相识, 他自己也原本就不曾出生过。 这与阻止父母相识的时间旅行者本人出现在那个宇宙中并不矛盾, 因为时间旅行者是来自于另一个平行宇宙的, 在那个平行宇宙中他父母依然相识。 在这种观点下, 每个平行宇宙的历史仍然是唯一的, 但是所有物理定律许可的历史都会在某个平行宇宙中得以实现, 时间旅行者虽然无法改变任何一个平行宇宙的历史, 却可以自由地选择进入哪一个平行宇宙, 他不能改变历史, 却可以选择历史[注七]

六. 幻想与历史

经过了这些讨论, 现在让我们回到本文的标题上来, 时间旅行究竟是科学还是幻想? 据说索恩与学生发表有关虫洞及时间旅行的论文时, 曾经担心被同事们认为是不务正业。 但我们在本文中已经看到, 在时间旅行这个主题背后有着一系列值得深入研究的物理学课题。 事实上, 现在的确有一小部分物理学家——其中包括世界顶尖大学的教授——在对这些课题进行认真的研究。 这种研究除了试图探讨科幻小说中这些迷人话题的理论可行性外, 一个很重要的动机是要探索现有物理学定律的边界, 探索在最离奇的情形下物理学定律可以告诉我们什么。 从这个意义上讲, 时间旅行无疑是一个有着丰富科学内涵的课题。

但是另一方面, 从现实可行性上来讲, 起码就我们目前所知的物理学定律而言, 时间旅行很可能只是一种幻想。 我们在前面讨论过许多有可能形成闭合类时曲线的理论模型, 撇开它们面临的种种理论难题不论, 在那些讨论中我们还忽略了一个很重要的方面, 那就是虽然从结构上讲, 闭合类时曲线与能让人类使用的时间机器完全类似, 但在规模上却有着巨大差异。 以索恩等人的虫洞时间机器来说, 为了让人类能够使用这种时间机器, 虫洞必须是可穿越虫洞。 而我们在有关 虫洞 的介绍中已经看到, 建造可穿越虫洞是一件几乎不可能做到的事情, 更遑论让虫洞的出入口以接近光速的速度做特定的运动了。 因此, 索恩的虫洞时间机器无论在理论上是否可能, 在现实世界中实现的可能性都是微乎其微的。

限于篇幅, 我们有关时间旅行的介绍到这里就告一段落了。 十多年前, 霍金曾经问过这样一个问题: 假如时间旅行是可能的, 为什么在我们周围至今尚未充斥着来自未来世界的时间旅行者呢? 这个问题的潜台词是: 时间旅行者没有来到我们周围, 最有可能的原因是时间旅行在整个时间长河中——也就是永远——都没有实现过。 当然, 霍金并没有把这样的问题当作是对时间机器的一个认真的理论诘难。 不过, 他的这个问题还是引起了一些物理学家的思考, 并且他们找到了一种可能的回答: 即我们目前所知的有可能实现时间旅行的理论模型, 有一个很可能具有普适性的共同特点, 那就是不允许时间旅行者回到时间机器存在之前的年代。 因此, 假如公元 2500 年有人建造出了时间机器, 那么时间旅行者只能访问公元 2500 年之后的年代[注八], 他们永远无法来到我们周围, 更无法像一些科幻小说描绘的那样, 回到史前时代去捕捉恐龙——那些历史已经或将要无可挽回地被时间长河所吞没, 就像美国物理学家格林 (Brian Greene) 所说的: 在时间机器建造成功之前的每一个年代, 都将成为我们以及我们的子孙后代永远无法触及的历史。

从这个意义上讲, 如果时间旅行是可能的话, 早一天建造出时间机器就是多拯救一天历史。

注释

  1. 当然, 这只是最简单的巧合 (不过 “香蕉皮机制” 因之而命名, 故特意举出)。 为了情节的需要, 我们还可以设想更为复杂的巧合。 比方说时间旅行者试图向后来会成为他父亲的那个人开枪, 却因为心情矛盾导致枪法失准, 没有击中 “父亲”, 却击中了 “父亲” 的情敌! 他试图阻止父母相识的行动非但没有达到目的, 反倒为他父母的结合铺平了道路。 他的行动不仅没有破坏因果关系, 反而成为了维护因果关系所必需的, 等等。 象这种近乎宿命的巧合在科幻故事中用得也很多。
  2. 尽管如此, 还是有物理学家做过这方面的考虑。 比如俄国物理学家诺维科夫 (Igor Novikov) 曾经提出过一个假设, 认为物理学定律会——哪怕通过离奇巧合的方式——自动保证不出现因果佯谬。 这个假设被称为 “诺维科夫自洽性假设” (Novikov consistency conjecture), 它可以算是香蕉皮机制的理论版本。 不过这个假设一直缺乏具体的实现方式。
  3. 举个例子来说, 如果时间旅行者回到过去后把一块小石头放在路上, 然后离开。 这样的事件无疑是非常微不足道的, 但它有可能导致某位行人因踩到石头而扭伤脚。 而这位倒霉的行人有可能恰好是一位物理学家, 他正要去做一个有关时间旅行的学术报告, 却因为扭伤了脚而取消报告。 而那个学术报告的听众中有可能恰好有一位年轻人因为这个报告的影响而投身于时间旅行的研究, 并最终成为时间机器的建造者。 在这种情况下, 时间旅行者放在路上的小石头对历史的影响就扩大成了尖锐的佯谬。 因为正是这块石头的出现, 使得一位物理学家取消了学术报告, 既而又使得一位年轻人因没有听到这个学术报告而不再以时间旅行作为自己的研究方向, 而这最终导致了人类没能研制出时间机器。 但如果人类没能研制出时间机器, 时间旅行者又如何能够放置那块小石头呢?
  4. 艾弗里特是多世界诠释的提出者, 不过 “多世界诠释” 这一术语却是美国物理学家德惠特 (Bryce DeWitt) 提出的。
  5. 需要指出的是, 多世界诠释的原始表述其实并不依赖于象 “多世界” 或 “平行宇宙” 那样的概念。 后来流行的 “多世界” 或 “平行宇宙” 概念从某种意义上讲是对多世界诠释本身的诠释。
  6. 当然, 这里所谓的 “迎刃而解”, 是建立在有着极大争议性的平行宇宙概念之上的, 因而本身也是有着极大争议性的。 此外, 所谓 “迎刃而解”, 首先还假定所讨论的问题有意义, 这同样有可能是不成立的, 因为时间旅行完全有可能是如霍金猜测的那样被物理学定律所禁止的, 由时间旅行所导致的因果佯谬也因此完全有可能是伪问题。
  7. 即便按照这种观点, 科幻小说中的许多情节也是不可能实现的。 比如通过时间旅行者对某个历史事件的干预来改变人类命运就是不可能的。 时间旅行者的努力, 只能使他自己进入一个人类命运截然不同的平行宇宙中去, 而试图通过这一努力来改变自己命运的原平行宇宙中的其他人的命运, 将不会因此而改变。
  8. 注意, 这并不是说时间旅行者只能作面向未来的时间旅行。 在时间机器存在之后的那些年代之间, 他们的旅行既可以面向未来也可以面向过去, 他们只是无法回到时间机器建造之前的年代去。

参考文献

  1. M. Visser, Lorentzian Wormholes: from Einstein to Hawking (AIP Press, American Institute of Physics, 1996).
  2. B. Greene, The Fabric of the Cosmos (Alfred A. Knopf, 2004).
  3. J. R. Gott III, Time Travel in Einstein's Universe (Houghton Mifflin Company, 2001).

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网友讨论选录

  • 网友: blackhole   (发表于 2016-09-05)

    用平行世界解释因果问题, 成吗? 比如, 儿子在母亲生下他之前把母亲杀了。 平行世界理论解释为: 世界 A 中母亲生下了儿子, 儿子长大。 世界 B 中也有这位母亲, 尚未生育。 世界 A 的儿子跑到世界 B 中把母亲杀了, 世界 B 中母亲没有生下孩子。 一切 Ok。

    但是, 世界 A 中怎么看这个儿子的世界线? 突然中断? 什么原因? 世界 B 又怎么看这个儿子的世界线? 无由头地突然冒出一个大小伙子? 岂不违反自然规律? 在平行世界理论中, 两个世界分开后是不会再有任何交集的。

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2016-09-06)

    用平行宇宙概念解决因果佯谬的设想单纯地意在处理因果佯谬, 对其他方面的考虑确实都很粗糙甚至有显著缺失, 再加上没有具体模型, 不足以确切回答你的疑问。 我自己设想的一种可能性是: 时间旅行者在自己原本所在的宇宙中进入一个事件视界 (因此其 “消失” 并不违反能量动量守恒之类的自然律), 在目的地宇宙中则以一种类似逆过程的方式出现。 不过除非有具体模型, 否则很难判断是否真的具有可行性——哪怕只是理论上的可行性。

  • 网友: 快刀浪子   (发表于 2017-05-01)

    时间旅行这个概念真让人困惑。 过去的事情已经发生了, 未来的还未发生, 假如我们有一天回到过去, 即使像 “凝固长河” 那样, 踩到香蕉皮, 从而避免祖父悖论。 那也是第二次踩到香蕉皮, 和原来的不是同一次, 所以实际上并没有回到过去。

    极端一点, 世界是轮回的, 不断地重复, 表面上看可以无数次回到过去, 但实际上时间一直是向前的。 就像时钟的指针不断循环转动一样。 想请昌海兄科普一下, 闭合类时曲线是怎么回事, 为什么能回到过去呢?

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2017-05-01)

    快刀兄好。

    这个问题可能没有绝对的答案, 关键是当时间轴闭合时, 是否仍能认为时间 “一直向前”。 普通时钟的指针循环转动之所以能被认为 “一直向前”, 是因为有一个 “一直向前” 的时间可以做参照, 从而空间上的循环可以视为时空中的螺旋, 不是完全的循环。 但假如时间和空间一起循环, 则再也没有可以用来定义 “一直向前” 的参照了, 这时候是否仍能认为 “和原来的不是同一次, 所以实际上并没有回到过去”, 就近乎于单纯的语义问题, 而恐怕没有绝对的答案了。

  • 网友: 快刀浪子   (发表于 2017-05-01)

    谢谢昌海兄的回复。:-)

    “普通时钟的指针循环转动之所以能被认为 ‘一直向前’, 是因为有一个 ‘一直向前’ 的时间可以做参照”——不太明白。 如果除了一个时钟外, 宇宙空无一物, 那是什么给它参照呢? 空间循环和时空循环在观察上有什么不同?

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2017-05-02)

    假如这个时钟不是普通时钟, 而是像我们这个宇宙那么复杂的系统, 其中包含了我们这样有时间意识的智慧生物。 假如那样的宇宙在时空上循环 (其实时空循环的提法多此一举, 时间循环必然意味着是时空循环), 则我们的存在有可能已经是无数次了 (虽然这么说是什么意思值得商榷, 因为已并不存在外部的参照来为 “次数” 作记录), 只不过每次所有物质的状态都完全相同, 意识本身也完全相同, 不会对次数有记忆, 谈次数也未必有意义。

  • 网友: 快刀浪子   (发表于 2017-05-02)

    如果有时间旅行, 那肯定是时间循环, 所有事情不断地重复? 假设公元 100 年, 和公元 0 年的情况完全相同, 这时就可以认为是回到公元 0 年了。 这样公元 101 年也必须和公元1年的情况相同, 否则就知道 100 年和 0 年不是同一年, 因为它们一年后的情况是不同的。 这样理解, 谈论时间机器没有意义呀。 因为时间旅行, 必须是整个宇宙的情况重复。

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2017-05-02)

    关于时间旅行很少有真正深入的探讨, 就我所知, 所有试图迎合物理定律的观点最终都跟否定时间旅行差不多 (因而确如快刀兄所说的 “谈论时间机器没有意义”)。 比如我们这几个往返贴讨论的 “凝固长河” 就如我在正文中所说 “时间旅行者并不能对历史做分毫的改变, 他甚至连历史的旁观者都不是, 因为他原本就是历史的一部分”, 这种毫无选择, 甚至毫无知觉的时间旅行究竟有没有意义、 是否能称为旅行是很值得怀疑的。 “平行宇宙” 的观点貌似自由些, 但实质上是跨越平行宇宙的旅行, 算不算时间旅行也是大可商榷的。

    真正的时间旅行, 或者说多数人谈到时间旅行时真正所指的, 其实是那种放弃因果律, 甚至忽略全部物理定律的科幻小说或电影里的时间旅行。

    时间旅行不等于时间循环。 倘若是时间循环, 则确实两个循环年份 (比如快刀兄例子里的公元 100 年和公元 0 年) 之后的演化也必须相同。 “凝固长河” 里的时间旅行通常是指时间旅行者的世界线跳到另一个时刻 (比如从前的某个时刻), 至于怎么跳, 依然会面临前面 blackhole 兄的问题, 在我看来唯一不与物理定律相矛盾的实现方式是时间旅行者进入某个事件视界消失。 另一方面, 其他物体的世界线依然向前, 因而时间旅行者的世界线对其他观察者来说只走了一遍, 以时间旅行者进入事件视界消失而告终。 将那种消失说成是时间旅行回到过去重走已经存在过的世界线简直是生造出来的诠释。 事实上, “凝固长河” 这一名称本身就说明了不存在语义花招以外的时间旅行, 不存在双重或多重历史, 因为一切都已 “凝固”。

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