建造时间机器

建造时间机器_超空间

我们这些相信物理学的人都知道:过去、现在和未来之间的区别只是一种固执的假象。

———阿尔伯特·爱因斯坦

时间旅行

在时间上我们能倒退吗?

像赫伯特·乔治·威尔斯 (H.G.Wels)的小说《时间机器》里的主人公一样,我们能拨动机器上的指针,跨越数十万年到802701年吗?或者像米迦勒 ·J.福克斯 (MichaelJ.Fox)那样搭乘钚燃料发射车去往未来吗?

如果时间旅行是可能的,那么,整个广阔的世界将充满各种各样可能发生的非常有意思的事情。正如凯思琳·特纳 (KathlenTurner)的小说《帕格尔斯·苏结婚了》中所描述的那样,每个人都在私下里许了一个心愿———设法回到过去,纠正自己在生活中犯下的某些小的但却是至关重要的错误。在罗伯特·弗罗斯特 (RobertFrost)的诗《没有走过的路》中,我们非常希望知道,如果我们在生活中选择了不同于以往的另一条路径,会发生什么。有了时间旅行,我们就能回到年轻的时候,去纠正那些过去发生过的令人尴尬的事情。我们可以选择不同的伴侣,或从事不同的事业;甚至可以改变关键时刻的重要历史事件的结果,或改变人类的命运。

例如,在电影《超人》的剧情高潮中,我们的英雄在情感上被彻底摧 毁了。当地震将大部分加利福尼亚地区毁坏,并将他的爱人压在几百吨的岩石和碎片之下。他为妻子可怕的死亡而哀悼,难以抑制心中的痛苦。他飞入太空,违背了不干预人类历史的誓言。他不断加快自己的速度,直到超越光速,从而破坏了时间和空间的结构。他以光的速度旅行,迫使时间慢下来并最终停止,最后回到露意丝 ·连恩 (LoisLane)被岩石碾死之前。

但是,这一招显然是不现实的。虽然速度的增加可以减慢时间,但你不可能加速到比光速还快的速度,也就不能使时间逆转。其原因是,根据狭义相对论原理,当你加速到无限大速度的时候你的质量也会变得无限大。因此,大部分科幻小说作家偏爱的超光速旅行方式与狭义相对论矛盾。

爱因斯坦非常明白这是不现实的。A.H.R.布勒 (A.H.R.Buler)也充分意识到了这点,他在《笨拙》杂志上发表了以下打油诗:

有一个叫布莱特的年轻姑娘,

她的速度比光速还快。

她旅行了一天,

以相对论方式,

回到了前一天的晚上。

大多数的科学家都没有认真研究爱因斯坦的方程,他们将时间旅行当做一派胡言,并将其与 “外星人绑架那样的骇人听闻的报道”相提并论。然而,实际上这个事情相当复杂。

为了解决这个问题,我们必须暂时放弃狭义相对论这一较为简单的理论,继而拥抱更强大的也许能允许时间旅行的广义相对论。广义相对论比狭义相对论具有更广泛的有效性。狭义相对论描述那些远离恒星的以恒定速度运动的物体;广义相对论更强大,它能描述靠近超大质量恒星和黑洞时的火箭的加速。因此,广义相对论取代了狭义相对论的一些简单的结论。对于任何一位在爱因斯坦广义相对论框架内认真地对时间旅行作过数学分析的物理学家来说,最终结论都是令人震惊的。但他们对 “时间旅行是否可能”这个问题却远没有搞清楚。

支持时间旅行观点的科学家指出,爱因斯坦的广义相对论确实允许某 种形式的时间旅行。但他们也承认 ,将时间弯曲成一个圆需要一个无穷大的能量 ,因此 ,爱因斯坦的方程失灵了。当时间旅行变得非常可能且在物理学上存在于相当有意思的区域内 ,量子理论将会取代广义相对论。

我们记得 ,爱因斯坦的方程指出时空曲率或时空弯曲是由宇宙中的物质-能量的含量所决定。事实上 ,可以找到足够强大的物质 -能量来迫使时间弯曲并允许时间旅行。然而 ,使时间弯曲到倒退所必需的物质 -能量的力度是非常大的 ,以至于广义相对论被打破 ,量子修正开始主宰相对论。因此 ,时间旅行的最终判决不能在爱因斯坦方程的框架内回答。在巨大的引力场中 ,爱因斯坦方程失灵 ,在这里 ,我们期待量子理论成为主导。

这正是超空间理论可以解决的问题 ———量子理论和爱因斯坦的引力理论在十维空间中将得到统一。我们预计 ,时间旅行问题将由超空间理论明确解决。至于虫洞和多维窗口 ,我们将把它放在最后一章集中讨论 ,同时总结超空间理论能发挥的全部作用。

现在 ,我们为大家讲述围绕时间旅行所发生的一些争论 ,以及那些不可避免地产生的有趣的悖论。

因果关系的崩溃

科幻小说家总希望知道 ,一个人在时间中逆行 ,回到过去是一种什么景象。一些小说中的故事 ,从表面上看是合理的也是可能的。但仔细思考,如果时间机器像汽车那样普及 ,我们的世界可以随处购买 ,那将是一种多么混乱的场面。科学浩劫即将来临 ,它会撕裂我们现有的宇宙结构。数以百万计的人可以回到过去 ,重写历史。一些人甚至带着枪械回到过去,欲在他们的敌人出生之前就干掉这些敌人的父母。因此 ,在这样的条件下 ,即便是进行最简单的人口普查 ,也开始变得困难且不具有现实性。

如果时间旅行是可能的 ,那么 ,因果律就会遭到破坏。事实上 ,我们所认知的全部历史也将发生崩溃。想象一下 ,成千上万的人回到过去 ,他们改变了那些影响历史进程的关键事件 ,将会引起什么样的混乱。或许 ,突然地 ,福特剧院的听众中就挤满了来自未来的比他们晚到的争吵者。这些晚到的未来人互相争夺 ,都希望自己能获得阻止林肯总统被暗杀的殊 荣。或许,数以千计的来自未来的人为了追求刺激而来到诺曼底登陆处拍照,从而导致诺曼底登陆计划因为泄密而失败。

历史上的重大战役,可以超越原先的既定结果而被迫修改。试想公元前331年发生的高加米拉战役。当时,亚历山大大帝战胜了大流士三世领导的波斯人,从而取得了决定性的胜利。这场战争导致了波斯统治的彻底崩溃,结束了他们与欧美地区的对抗形式,使得西方文明和文化在未来的 1000年里在世界范围内蓬勃发展。现在,我们假设有一小队今天的雇佣兵带着现代的火炮和小型火箭进入古代战场,将会带来什么样的结果?即便最微弱的现代火力也能将亚历山大的那些惊恐的士兵轻易击溃。这种对过去历史的干涉将会削弱西方文明和文化在世界范围上的扩张。

时间旅行意味着任何历史事件都没有结尾,人们可以随时回到过去修改历史。历史著作将永远无法写就。时间也许会永久停留在 20世纪 30年代,一些顽固分子总是企图回到过去,刺杀尤利西斯 · S.格兰特将军 (UlysesS.Grant)或想办法将原子弹的秘密送给德国人。

如果历史可以像擦黑板那样随便重写,会发生什么呢?我们的过去会变得如海边移动的沙子,不断被微风吹向这边或那边。每当有人拨动时间机器上的转盘,并错误地将自己的时间方向逆转,我们的历史将会不断改变。正如我们前面所讲述的,历史将不复存在。

大多数科学家显然不喜欢这种令人不快的可能性。历史学家更是无法接受,每当我们进入过去或未来时,历史存在的意义就产生了动摇,矛盾不可避免。事实上,宇宙学家史蒂芬 ·霍金 (Stephen Hawking)已使用 “实验”证据证明了时间旅行是不可能的。他提出,到目前为止,我们尚未受到过来自未来世界的旅行者的入侵就是证明时间旅行是不可能的最好证据。

时间悖论

要弄明白时间旅行的问题,首先需要将各种悖论进行分类。一般情况下,大多数悖论可以被划分为两种基本类型:

1.在你出生之前会见你的父母

2.没有过去的人 (你没有过去 )

第一种时间旅行对时空结构造成了较大程度的伤害 ,因为它改变了原先记录事件的先后顺序。例如 ,在《回到未来》一书中 ,故事中的年轻英雄回到过去 ,与他的母亲相遇。他的母亲当时是一个年轻的女孩 ,在那时还未爱上他的父亲。主人公震惊并沮丧地发现 ,他无意中阻止了自己父母之间决定命运的相会。更糟糕的是 ,他年轻的母亲已满含深情地被他吸引!如果 ,他不经意地阻止了他父母的相爱 ,且无法将他母亲错位的感情纠正 ,他将会消失 ———因为这样的话 ,他将无法出生。

第二种悖论涉及的事件没有开始。例如 ,一位贫困的、苦苦挣扎的发明家试图在他杂乱的地下室建造出世界上第一台时间机器。不知从哪儿来了一个富有的老绅士 ,为他提供了充足的资金、复杂的方程式和电路以支持他制造时间机器。在随后的时间 ,这位发明家发财了。因为他掌握了时间旅行的知识 ,可以精确地知道股票市场何时繁荣何时萧条。他在股票市场、赛马会以及其他活动上下赌注 ,创造了巨额财富。几十年后 ,作为一个富有的年老的人 ,他及时地返回到过去履行自己的使命。他遇上了他自己———一位在他的地下室中工作的年轻人。他将有关时间旅行的秘密告诉了年轻的自己 ,并为年轻人提供了充足的金钱。故此 ,循环下去。问题是:时间旅行的想法来自何处 ?

第二种悖论的最疯狂之处或许来源于罗伯特 ·海茵莱茵 (Robert Heinlein)的短篇小说《你们都是僵尸》。

1945年,一个小女孩被神秘地送到在克利夫兰的一家孤儿院。“简”在孤独和沮丧中成长 ,她不知道自己的父母是谁。直到 1963年的一天 ,她奇遇了一个流浪者 ,被他吸引且深深地爱上了他。当一切事情似乎都开始好转的时候 ,一系列的灾难发生了。首先 ,流浪者致使她怀孕 ,然后消失了。其次 ,在复杂的分娩过程中 ,医生发现她有两套性器官。为拯救她的生命 ,医生通过手术将 “她”变成了 “他”。最后 ,一个神秘又充满诱惑力的陌生人从产房拐走了她的孩子。

由于受到这些灾难的打击、社会的排斥以及命运的捉弄 ,“他”变成了一个酒鬼和流浪汉。简失去了父母、情人 ,以及唯一的孩子。多年后的 1970年,简跌跌撞撞地进了一个名为 “大众 ”的酒吧 ,向一位上了年纪的酒保讲述了自己可怜的故事。有着同情心的酒保为流浪者提供了一个机会 去报复让她怀孕又将其抛弃的情人 ,方法是加入 “时间旅行团 ”。他们一起进入了一个时间机器 ,酒保让流浪者回到了 1963年。奇怪的事情发生了 ———流浪者爱上了一个年轻的父母双亡的女子 ,并让她怀上了身孕。

酒保继续向前走了 9个月 ,将女婴从医院里偷出来 ,并驶回到 1945年将婴儿送进孤儿院。之后 ,再把彻底糊涂的流浪者送回 1985年,加入时间旅行团。最后 ,他将自己装扮成一个酒保 ,担负起一个困难的使命 :1970年在大众酒吧与某个流浪者会面。

问题是 :谁是简的母亲、父亲、祖父、祖母、儿子、女儿、孙女和孙子?当然 ,女孩、流浪汉、酒保 ,都是同一个人。这些矛盾可以让你头昏脑涨 ,尤其是试图解开简交织的亲子关系。如果画一张简的家谱 ,我们会发现所有的树枝都向内卷曲回到了简自身 ,就像一个圆圈。我们得出了惊人的结论 :她是自己的母亲 ,也是自己的父亲 !她自身就是一个完整的家谱。

世界线

相对论为我们提供了一个简单的方法来处理这些棘手的悖论。我们将利用由爱因斯坦首创的 “世界线 ”方法来解决问题。

比如 ,我们的闹钟在一天早上 8点叫醒我们 ,我们决定上午赖床不去上班。在表面上看 ,我们是赖在床上无所事事 ,实际上 ,我们描绘出了一条 “世界线 ”。

取一张绘图纸 ,我们将水平方向上的标度设置为 “距离 ”,垂直方向上的标度设置为 “时间 ”。8点到 12点,我们躺在床上 ,我们的世界线将显示为一条垂直的直线。我们的时间向未来走了 4小时 ,但我们的旅行距离为0。即便是什么也不做 ,也产生了一条世界线。(如果有人批评我们赖床,我们可以用爱因斯坦的相对论来反驳他 ———谁说我们什么也没做 ,我们在四维时空中画了一条世界线。)我们最终在中午下床 ,下午 1点抵达工作地点。我们的世界线变得倾斜,因为我们在空间和时间上都进行了移动。图 11.1中左下角是我们的家,右上角是办公室。如果我们选择驾车去工作地点 ,将会节约一半的时间。在坐标系上将会变现为 ———走得越快 ,时间线就会偏离垂直方向越

图11.1我们的世界线包括了我们的整个历史 ,从生到死。例如 ,我们在床上从早 8点躺到 12点,我们的世界线是一条垂线。我们开车去工作 ,我们的世界线变成一条斜线。我们开得越快 ,世界线就越倾斜。我们在理论上可达到的最高速度是光速 ,故而产生了临界斜率。因此 ,超过光速而产生的时空图是 “禁止 ”区域。简言之 ,我们必须超过光速才能进入这个禁区。

多。(注意 ,图中存在一个我们的世界线永无法进入的禁区 ,因为我们的速度无法超过光速。)我们可以得出一个结论。我们的世界线永远没有真正的起始点和结束点。即使我们死亡 ,我们身体中的分子的世界线会继续延伸。这些分子或许会扩散到空气或土壤中 ,但他们会画出它们自己永不结束的世界线。同理,当我们出生时 ,来自母亲的分子的世界线将凝聚到婴儿中。世界线永不会被打破或无中生有。

为了弄明白这个道理 ,以我们自己的世界线为例。如,1950年,我们的母亲和父亲相遇、相爱 ,并产生了婴儿 (我们)。因此 ,我们的母亲和父亲的世界线相遇后产生了第三条世界线 (我们的世界线)。当某个人死亡时 ,构成这个人的世界线最终会分散成数十亿条我们分子的世界线。从这点来看 ,人类可以被定义为分子的世界线的临时集合。这些世界线散落在我们出生之前 ,共同组成了我们的身体 ,并在我们死亡后重新扩散。《圣经》说:“从尘埃中来 ,到尘埃中去 ”。在相对论绘景中 ,我们可以说 , “从世界线来 ,到世界线去 ”。

因此 ,我们的世界线包含有关我们历史的全部信息。我们的第一辆自行车、第一次约会、第一份工作 ,发生在我们世界上的每件事都记录在我们的世界线上。事实上 ,伟大的俄罗斯宇宙学家乔治 ·伽莫夫 (George Gamow)就巧妙地将他的自传命名为《我的世界线》。他以才气过人的智慧和异想天开的想象力诠释爱因斯坦的著作而闻名于世。

我们可以借助世界线来想象自己回到过去会发生什么。我们进入一个时间机器 ,在我们出生之前遇上了我们的母亲。不幸的是 ,她爱上了我们,甩掉了我们的父亲。我们会如同《回到未来》中的描述那样消失吗 ?根据世界线来看 ,这种情形不可能发生。当我们消失时 ,我们的世界线因此而消失。然而 ,根据爱因斯坦的相对论 ,世界线不能被切断。因此 ,在相对论中改变过去是不可能的。

然而 ,第二个悖论涉及重新创作过去 ,它提出了许多有趣的问题。例如,我们让时间倒流 ,是为了去履行 (重复 )这段历史 ,而不是修改它。因此 ,时间机器发明者的世界线就成为了一个封闭的环。他的世界线是履行过去 ,而不是改变过去。

更复杂的是 “简”的世界线 ,她是自己的母亲和父亲 ,也是自己的儿子和女儿 (图11.2)。

图11.2如果时间旅行是可能的 ,我们的世界线将变成一个闭合的环。1945年,女孩简出生。1963年,简 (女)有了自己的孩子。1970年,简 (男)以流浪汉的身份回到 1945年与自己 (女)相遇。1985年,简 (男)是一个时间旅行者 ,他于 1970年在一个酒吧中登上了时间机器 ,将自己带回到 1945年。他拐走这个小孩 (女婴 ),并将她带回到 1945年,使所有的一切重新开始。女孩简是她自己的母亲、父亲、祖父、祖母、儿子和女儿等等。

请再次注意 ,我们不能改变过去。当我们的世界线逆时间返回时 ,它只是简单地履行早已被人们知道的历史。因此 ,在这样一个宇宙中 ,回到过去与年轻时的自己相遇是存在可能性的。假如我们的生活经历是环形的,那么 ,我们迟早会遇到一个年轻的男子或女子 ———我们年轻时的自己。我们会告诉这个年轻人 ,我们看起来很面熟。接下来 ,我们再次回忆,在自己还很年轻的时候 ,似乎确实遇上过一位声称我们看上去很面熟的奇怪老人。

因此 ,也许我们可以回到过去 ,但却永远不能改变它。正如我们强调的,世界线不能切断也不能结束。它们或许会在某段时间内形成一个环 ,但它们永远不会改变过去。

然而 ,这些光锥图只是在狭义相对论的框架中给出的 ,它虽然可以描述我们进入过去将要发生的事件 ,但它毕竟太简单了 ,不能解决时间旅行是否有意义这个问题。要回答这个问题 ,我们必须转向广义相对论。在广义相对论中 ,情况将变得更加微妙。

广义相对论是解决问题的有力工具 ,我们用它弄清了这些互相缠绕的世界线在物理学上是允许存在的。这些封闭的圆环有一个科学名称 ———封闭类时曲线 (CTC)。但在当今的科学界仍存在一个争议 :广义相对论和量子理论到底允许还是不允许封闭类时曲线。

算术和广义相对论的搅局者

1949年,爱因斯坦非常关注他的一个亲密的同事和朋友 ,维也纳数学家库尔特 ·高德尔 (KurtG.del)的发现。这个数学家也在爱因斯坦工作的普林斯顿高等研究院工作。高德尔发现了爱因斯坦方程的一个干扰解 ,这个解允许破坏公认的基本信条 ———允许某种形式的时间旅行。高德尔首次为时间旅行建立了数学基础。

在长达四分之一个世纪中 ,高德尔以搅局者的角色而出名。1931年,与人们的期待相反 ,他竟然证明了你不能证明算术的自洽性 ,从而闻名于世 (实际上是臭名昭著)。在他的证明过程中 ,他摧毁了自欧几里得和古希腊人开始至今已有 2000年之久的梦想。这个梦想即是使数学变得尽善尽美 ,将全部的数学简化成少数的几条自洽的公理 ,任何数学结果皆可由 它们导出。

高德尔在《在数学的绝技》中提出 ,在算术中总存在一些定理 ,它们的正确与否 ,永远不能从算术公理中得到证明。即,算术总是不完备的。高德尔所得出的结论 ,或许是 1000年来数理逻辑领域最惊人的最出乎意料的进展。

数学一度被认为是所有学科中最纯洁的 ,因为它是精确的和确定的。它还没有被我们这个物质世界所具有的令人生厌的粗俗所玷污 ,但是现在,它变得不那么确定了。在高德尔出现之后 ,数学的基石似乎被动摇了。(粗略来说 ,高德尔著名的证明始于在逻辑上存在一个奇特的悖论的证明。例如 ,考虑这样一个陈述 ,“这个句子是错误的 ”。如果这个句子是正确的 ,必然导出这个句子是错误的结论 ;如果这个句子是错误的 ,又会导出这个句子是正确的结论。又或者 ,我们考虑另一个陈述 ,“我是一个说谎者 ”。那么 ,只有当我说真话时 ,我才是一个说谎者。高德尔随后将这一陈述归纳为 “这个句子不能被证明是正确的 ”。如果这个句子正确 ,那么,它就不能被证明是正确的。通过构建由这种悖论组成的复杂骗局 ,高德尔证明 ,数学中存在一些正确的但不能用算术来证明的命题。)高德尔毁灭了一个梦 ,一个所有数学家最珍视的梦。在此之后 ,哥德尔又粉碎了围绕爱因斯坦方程所凝结的传统智慧。他指出 ,爱因斯坦的理论含有一些令人吃惊的病态结果 ,其中包括时间旅行。

他首先假设宇宙充满了缓慢旋转的气体或尘埃。这似乎是合理的 ,因为广袤的宇宙的确像是充满了气体和尘埃。然而 ,哥德尔的解引起人们的巨大关注是出于如下两个原因。

首先 ,他的解破坏了马赫原理。他证明了爱因斯坦方程的两个解有相同的尘埃和气体分布存在可能性。(这意味着马赫原则是不完整的 ,即还存在隐含的假设。)更重要的是 ,他证明了某些形式的时间旅行是允许的。如果一个粒子追寻哥德尔宇宙中的路径旅行 ,它最终会返回到过去并与自己相遇。他写道:“一艘火箭船 ,沿着范围足够大的曲线作环形旅行 ,就可能旅行到过去、现在和未来的任何区域 ,然后再返回。”因此 ,哥德尔找到了广义相对论中的第一个封闭类时曲线。

以前 ,牛顿认为时间就像一支箭 ,准确无误地飞向目标。这支箭一旦射出 ,没有任何东西可以改变它的路线。之后 ,爱因斯坦认为时间更像一 条强大的河流 ,在前进的路途中蜿蜒通过扭曲的山谷和平原。物质或能量的存在也许会改变河流的方向 ,但河道总体是光滑的 :它决不会突然中断,也不会猛地回头。现在 ,哥德尔认为时间的河流能顺利向后弯曲成一个环 (圆圈)。河流毕竟有急流和漩涡。河流在总体上总是向前流动 ,但在边上就不一样了。河流的边上总有一些涡流 ,在这里 ,水以旋转的方式流动。

哥德尔的解不能被看作一个疯子的工作 ,因为哥德尔是用爱因斯坦自己的场方程发现了时间弯成一个圆圈的奇异解。哥德尔是按规则办事发现了爱因斯坦方程的一个合理解 ,故而 ,爱因斯坦被迫采取了回避的方式放弃这个解。因为它与实验数据不符合。

哥德尔的宇宙的弱点是假设宇宙中的气体和尘埃慢慢旋转。实验上 ,我们看不到宇宙尘埃和气体在太空中的任何旋转。我们的仪器已证实宇宙正在膨胀 ,但它似乎并未旋转。因此 ,哥德尔的宇宙可以安全地排除。 (这让我们非常扫兴。我们的宇宙如真似哥德尔猜测的那样在旋转 ,我们就可以乐观地相信 ,时间旅行是具有可行性的。)爱因斯坦在 1955年去世了 ,他的方程的干扰解由于不能实验验证被抛弃了 ,并且 ,人们也无法遇见他们出生之前的父母。

生活在暮色地带

1963年,斯拉 ·纽曼 (Ezra Newman)、西奥多 ·昂蒂 (Theodore Unti),和路易斯 ·坦布雷诺 (LouisTamburino)发现了爱因斯坦方程的一个新解。这个新解比哥德尔的解更疯狂 ,这个解并非建立在哥德尔的旋转的充满尘埃的宇宙上。从表面上看 ,它像一个典型的黑洞。

与哥德尔的解一样 ,他们的宇宙允许封闭类时曲线和时间旅行。此外,当你在黑洞周围作 360度旋转 ,不会转到你最初的位置。相反 ,就像居住在一个有着黎曼切口的宇宙 ,你会被卷到另一片宇宙中。纽曼 -昂蒂 -坦布雷诺宇宙的拓扑结构 ,可以比作居室中螺旋形的楼梯。如果我们绕楼梯旋转 360度,我们不会到达出发点 ,而是抵达了另一阶楼梯上。生活在这样的宇宙中超出了我们所能想象的最坏的噩梦 ,我们所掌握的常识完全失去了作用。事实上 ,这个奇异宇宙的病态是如此之鲜明 ,以至于很快就 出现了这样一个名称 :NUT宇宙 (NUT以纽曼、昂蒂、坦布雷诺三人名字的首字母命名)。

起初 ,相对论者以他们排斥哥德尔解那样的方式排斥 NUT解。也就是说 ,我们的宇宙并非按照这样的解的形式在进行演化。因此 ,这些解由于缺乏实验验证而被武断地抛弃了。然而 ,几十年过去了 ,爱因斯坦方程的此类奇异解大量涌现而出 ,且它们允许时间旅行。20世纪 70年代初 ,新奥尔良杜兰大学的法兰克 ·J.蒂普勒 (FrankJ.Tipler)重新分析了爱因斯坦方程的一个在哥德尔之前由 W.J.范 ·斯托库姆 (W.J.van Stockum)于1936年发现的解。这个解假定存在一个无限长的、旋转的圆筒。使人们吃惊的是 ,蒂普勒能够证明此解也违反了因果关系。

即使是克尔的解 (它代表了外层空间的黑洞的最现实的物理描述 ),也被证明允许时间旅行。火箭船穿过克尔黑洞的中心 (假设它们并未在这个过程中被粉碎 ),因果关系将会遭到破坏。

不久 ,物理学家们发现 ,NUT型奇点可以被插入任何黑洞或膨胀的宇宙中。事实上 ,编造无穷多个爱因斯坦方程的病态解已成为可能。例如,爱因斯坦方程的每一个虫洞都可以被证明允许某些形式的时间旅行存在。

根据相对论者蒂普勒的分析 ,“表现出任何一种奇异行为的场方程的解都可以被找到 ”。因此 ,被发现的迅猛增长的爱因斯坦方程的病态解一定会吓坏爱因斯坦 ,如果他还活着的话。

从某种意义上说 ,爱因斯坦方程就像特洛伊木马。表面上看 ,这种木马像一件完美的可接收的礼物。它告诉我们 ,在引力场下恒星发出的光是弯曲的 ,且这种弯曲现象是可以观测的 ,它还对宇宙的起源给出了令人信服的解释。但是 ,各样的魔鬼和妖怪都潜伏在里面 ,它们允许穿越虫洞的星际旅行和时间旅行成为可能。为了窥视最深奥的宇宙秘密 ,我们不得不放弃我们通常持有的信仰 ———我们的世界其空间是单连通的 ,历史是不可更改的。

但问题仍然存在 :这些封闭类时曲线可以像爱因斯坦所做的那样 ,根据纯粹的实验依据予以排除吗 ?或者 ,有人能证明他们在理论上是可能的,并在实际上建造一个时间机器吗 ?

建造时间机器

1988年6月,三名物理学家,即加州理工大学的基普 ·索恩 (KipThorne)、迈克尔·莫里斯 (MichaelMoris)、密歇根大学的乌尔维 ·尔特塞韦尔 (UlviYurtsever),首次提出了建造时间机器的认真的建议。尤他们让《物理评论快报》(世界上最著名的刊物之一)的编辑相信他们的工作应该受到重视。(在过去的几十年中,众多的提交给主流物理杂志的有关时间旅行的投稿都遭到了拒绝,因为他们并非建立在最重要的物理原理或爱因斯坦的方程上。)他们像训练有素的科学家一样,用易于被接受的场论语言提出了他们的观点。接着,又认真细致地解释了他们最薄弱的假设出现在什么地方。

为排除科学界的质疑,索恩和他的同事们意识到他们必须利用虫洞作为时间机器的主要证据战胜普遍的反对派。第一,如前所述,爱因斯坦自己也意识到黑洞中心的引力是巨大的,通过黑洞的任何飞船将被撕裂。虽然,虫洞在数学上是可能的,但他们在实践中却是无用的。

第二,虫洞可能是不稳定的。现在已能证明,虫洞中的小扰动会导致爱因斯坦-罗森桥的坍塌。因此,宇宙飞船在黑洞内出现会引起扰动,会导致虫洞入口的关闭。

第三,宇宙飞船的速度必须大大地超过光速,才能穿透到虫洞到另一边。

第四,量子效应是如此之大以至于虫洞可能会自行关闭。例如,黑洞入口发出的强烈辐射不仅会杀死任何试图进入黑洞的人,而且可能会导致入口的关闭。

第五,在虫洞中时间会逐渐慢下来,在中心区域趋向于完全停止。因此,在地球上的人看来,虫洞具有许多不受欢迎的特点。空间旅行者的速度似乎慢了下来,并在黑洞的中心变成彻底静止。空间旅行者看起来就像被时间冻结了。换句话说,空间旅行者需要无限长的时间才能穿越虫洞。我们假设自己能够成功穿越虫洞的中心并返回地球,但受限于巨大的时间扭曲,我们回到地球上的时间可能已经过去了数百万年,甚至数十亿年。

因为上述的这些理由的存在,虫洞解从未被严肃采纳过。

索恩是一位严肃的宇宙学家 ,但他并未以通常的宇宙学家持有的态度极度怀疑甚至嘲笑时间机器。索恩逐渐以好奇的方式卷入了这个问题。 1985年夏天 ,卡尔 ·萨根将他下一本书《接触》出版前的草案发给索恩。该书认真探讨了一个划时代的科学与政治问题 :与外层空间的第一个地外生命的接触。每个思考外太空生命问题的科学家都必须面对一个问题 ———如何打破光障。由于爱因斯坦的狭义相对论明确禁止超过光速 ,故而 ,一个常规的飞船飞往遥远的恒星可能需要数千年。这使得星际旅行变得不切实际。萨根希望自己的书尽可能科学准确 ,他写信给索恩询问是否有任何科学可以接受的方式规避光障。

萨根的要求引起了索恩的好奇心。这是一个由一位科学家向另一位科学家提出的 ,要求严肃回答的诚实的与科学相关的要求。幸运的是 ,由于请求的非正统性 ,索恩和他的同事们用一种最不寻常的方式处理这个问题:反向工作。通常情况下 ,物理学家们从某个已知的天体 (中子星、黑洞、大爆炸 )开始 ,然后求解爱因斯坦方程找到周围空间曲率。我们记得,爱因斯坦的方程本质是一个物体的物质和能量含量决定周围空间曲率。用上述方法处理 ,我们保证能找到有关天体的爱因斯坦方程的解 ,而这些天体正是我们期望在外层空间里找到的。

由于萨根的奇特要求 ,索恩和他的同事们反向处理这个问题。他们从他们想找到什么这个初步的想法开始 ,试图得到一个爱因斯坦方程的解 ,使得空间旅行者不会被巨大的引力场的潮汐效应撕开。他们希望得到一个稳定的虫洞 ,这个虫洞不会在旅行中突然关闭。他们绕虫洞走一圈所花的时间只是几天 ,而不是数百万或数十亿地球年。事实上 ,他们的指导思想是,他们希望时间旅行者进入虫洞一段时间后 ,可以合理地安全返航。一旦他们确定了虫洞应该是什么样子的 ,接下来所要做的就是 ,开始计算创造这样一个虫洞到底需要多少能量。

从他们的非正统的观点出发 ,他们并不关心能量的需求是否超过了 20世纪的科学所能提供的极限。对他们来说 ,建造时间机器实际上是未来文明的一个工程问题。他们想证明的是时间机器在科学上是可行的 ,而不需要证明时间机器是经济的或者用目前地球上的科学就能办到的 :

通常 ,理论物理学家会问 ,“物理定律是什么 ?”或者 “这些定律对宇宙的预言是什么 ?”与此相反 ,在这封信里我要问的是 ,“物理定 律对非常先进的文明的活动有什么限制 ?”这个问题会引发一些有关物理定律本身很有意思的疑问。我们从这样一个问题开始 ,即物理定律是否会限制一个非常先进的文明为星际旅行制造虫洞并维护它的运行。

当然关键的短语是 “非常先进的文明 ”。物理定律告诉我们什么可能而不是什么可行。物理定律与检验它们所花的钱并无关系。因此 ,理论上可能的东西也许会超过地球上的国民生产总值。索恩和他的同事们谨慎地指出 ,能够掌握并利用虫洞威力的神秘的文明必须是 “非常先进的 ”。也就是说 ,这个文明能够进行所有的实验 (即使这些实验对地球人是不切实际的)。

使他们异常高兴的是 ,他们很快就非常容易地发现了一个令人吃惊的简单的解 ,这个解满足所有的刚性约束。这个解 ,并非典型的黑洞解 ,所以不必担心被这个坍缩的恒星撕裂。他们将这个解命名为 “可穿越虫洞 ”,以区别于其他的宇宙飞船不能穿越的虫洞解。他们非常兴奋 ,并给萨根回信。萨根随后将他们的一些想法写进了自己的小说。事实上 ,他们是如此惊讶于这个解的简单 ,以至于相信哪怕是新入学的物理学研究生也能理解他们的解。1985年秋 ,在加州理工学院进行的广义相对论课程的期终考试中,索恩将这个虫洞解给了学生们。索恩并未告诉学生们这是什么 ,他要求学生们推断这个解的物理性能。(大多数学生给出了这个解的详细的数学分析 ,但他们并未意识到这个解是一个允许时间旅行的解。)如果学生可以在期终考试中具有更敏锐一点的观察力 ,他们就能推导出虫洞的一些惊人的性能。事实上 ,他们会发现穿越这个可穿越虫洞的旅行就如飞机旅行那般舒适。旅行者所经受的最大引力不超过 1个重力加速度。换句话说 ,他们的表观重量不会超过他们在地球上的重量。此外 ,旅行者将永不必担心自己在旅行期间虫洞的入口会关闭。索恩的 “虫洞 ”实际上是永久开放的。穿越一个可穿越的虫洞的旅行是可控制的 ,而不再需要花费 100万年或者 10亿地球年时间。莫里斯和索恩写到 ,“旅行将是完全舒适的 ,旅行所需的时间大约在 200天,或者更少 ”。

至此 ,索恩指出 ,在电影中人们通常遇到的时间悖论将不复存在 : 在“科幻场景 (例如 ,一个人回到过去杀死自己 )中,人们也许希望封闭类时曲线能够生成多重性为零的初始轨道 ”(即那些不可能的轨道)。然而 ,索恩已经证明 ,出现在他的虫洞中的封闭类时曲线看起来完全能填充过去,而不是改变过去或者引起时间悖论。在最终把这些令人吃惊的结果提供给科学界后 ,索恩写道 ,“爱因斯坦场方程的一个新解已经获得 ,它描述了在原则上可被人类穿越的虫洞 ”。

当然 ,它的实现还存在一个难题 ,这也是为什么我们今天还没建造出时间机器的一个理由。索恩计算中的最后一步 ,是推导为产生这个不可思议的、可穿越的虫洞所必需的物质和能量的确切性质。索恩和他的同事们发现 ,在虫洞的中心必须存在具有反常性质的 “奇异的 ”物质形态。索恩很快指出 ,这个 “奇异的 ”物质形态虽然反常 ,但似乎并未违反任何已知的物理定律。他预示说 ,在未来的某一时刻 ,科学家可能会证明这种 “奇异的 ”物质不存在。然而现在 ,这个 “奇异的 ”物质似乎是完全可以接受的物质形式 ,只要我们获取了足够先进的技术。索恩自信地写道 ,“一个 ‘非常先进的 ’文明可以从简单的虫洞建造出逆时间旅行的机器 ”。

时间机器的蓝图

然而 ,凡读过赫伯特 ·乔治 ·威尔斯的小说《时间机器》的人 ,可能都会对索恩的时间机器的蓝图失望。你并不能坐在客厅的椅子上 ,拨动几下转盘 ,就能通过闪烁的灯光目睹历史大跨度变化的全景图。包括 :毁灭性的世界大战、伟大的文明兴衰 ,或未来科学奇迹的成果。

一个版本的索恩时间机器由两个房间组成 ,每个房间都包含两块平行的金属板。每对金属板之间产生的强大电场 (大于任何由今天的技术可能产生的电场 )撕裂时空的织构 ,并同时产生了在空间中连接两个房间的一个洞。然后 ,将其中一个房间放入火箭船里并加速到接近光速的行驶速度,而另一个房间留在地球上。由于虫洞可以连接不同时间的两个空间区域,因此 ,第一个房间中的时钟比第二个房间中的时钟走得慢。因为 ,在虫洞的两端 ,时间通过的速率不同 ,任何落入虫洞某一端的人会被立刻抛到过去或未来。

另一个版本的索恩时间机器如下所述。如果能找到 “奇异的 ”物质可以像金属那样可塑 ,那么 ,最理想的形状想来应该是圆筒形。一个人站在圆筒的中心。接着 ,这个 “奇异的 ”物质就会使它周围的空间和时间弯 曲,产生一个虫洞。这个虫洞通往宇宙中处于不同时间的另一个遥远的地方。在涡流的中心那个人,在他或她被吸进虫洞并到达宇宙的另一端所受到的加速度不超过1个重力加速度。

表面上看,索恩的数学推理无懈可击。爱因斯坦方程的虫洞解的确允许在虫洞两边的时间以不同的速率回到过去,所以,原则上时间旅行是可能的。当然,前提是首先创造虫洞。索恩和他的合作者很快指出,主要问题是,如何控制足够的能量以制造并维持一个含有 “奇异的 ”物质的虫洞。

通常,物理的基本原理之一是所有的物体都有正能量。振动分子、汽车、飞鸟和火箭都有正能量。(按照定义,空无一物的真空空间所具有的能量为零。)但是,如果我们可以生产具有 “负能量”的物体 (即所含能量比真空还要低的物质),那么,也许我们能产生一种 “奇异的”空间和时间的组态,将时间弯曲成一个圈。

这个简单的概念,竟有一个听起来相当复杂的标题:平均弱能量条件 (AWEC)。正如索恩谨慎指出的,为了时间旅行可以成功,必须违反平均弱能量条件,能量必须暂时变为负能量。然而,负能量一直遭到相对论专家的反对。他们认为,负能量会使反引力和许多实验中从未有过的其他现象成为可能。

但索恩很快指出,通过量子理论可以获得负能量。1948年,荷兰物理学家亨里克·卡西米尔 (HenrikCasimir)证明了量子理论可以产生负能量:只要取两块大的、不带电的金属平板就可以做到。通常情况下,常识告诉我们:因为两块平板是电中性的,所以它们之间没有作用力。但卡西米尔证明,因为海森堡的测不准原理,隔开这两块平板的真空实际上是异常活跃的,数以万亿计的粒子和反粒子不断产生和消失。它们不知是从何处跑出,又无声无息地消失在真空中。因为它们转瞬即逝,所以在大多数情况下难以观察到它们,它们并不违反任何物理定律。这些 “虚粒子”在两块平板之间产生净吸引力,卡西米尔预言这种吸引力能够被测量到。

当卡西米尔发表他的论文时,它受到了严重的质疑。毕竟,两个电中性的物体如何会互相吸引,这违反了经典电学的普遍规律。这是闻所未闻的。然而,1958年,物理学家 M.J.斯派纳 (M.J.Sparnay)在实验室观察到这种效应,正像卡西米尔预言的那样。此后,这种效应被命名为卡西米尔效应。

利用卡西米尔效应的一种方法 ,就是将两块大的导电平行板放在每个虫洞的入口处 ,从而在虫洞的各端产生负能量。索恩和他的同事们得出结论,“平均弱能量条件永远不能违背。在这种情况下 ,可能不存在诸如可穿越虫洞、时间旅行、因果关系失败这样的事情。在没有到达一个桥的时候,就试图过桥显然为时过早。”

现在 ,对索恩的时间机器的评判尚无定论。所有人都承认 ,决定性因素是无论何时都需要一种完全量子化的引力理论来彻底解决问题。例如 ,史蒂芬 ·霍金指出 ,虫洞入口处发射出的辐射非常大 ,它们将与爱因斯坦方程的物质和能量含量相抵消。这种向爱因斯坦方程的反馈将使虫洞的入口发生畸变 ,甚至可能将它永远关闭。但是 ,索恩不同意霍金提出的辐射足以关闭虫洞入口的观点。

故而 ,超弦理论诞生了。因为超弦理论是完全的量子力学理论 ,它将爱因斯坦的广义相对论作为一个子集包含其中 ,它可以用来计算对原始虫洞理论的修正。原则上 ,它将允许我们确定平均弱能量条件在物理上是否可以实现 ,以及虫洞入口是否能保持开放以让时间旅行者享受回到过去的旅行。

霍金对索恩虫洞持保留看法。然而 ,具有讽刺意味的是 ,霍金也提出了一个甚至比索恩虫洞更异想天开的新的虫洞理论。霍金提出的虫洞理论并非将过去与现在相连接 ,他提出的虫洞将我们的宇宙和无数个平行宇宙连接起来。