Question

读一读霍金的《时间简史》10

Answer 1

第十章  虫洞和时间旅行(这一章特别有意思！)

我们已在前面的几章中看到，有关时间本质的观点在漫长岁月中是如何变化的。直到20世纪初，人们还相信绝对时间。也就是说，每一事件都可由称为“时间”的一个数，以唯一的方式来标记，而且所有好的钟在测量两个事件之间的时间间隔上都是一致的。

然而科学发现，光速对于无论在怎么运动的观察者都显得相同，这个发现导致了相对性理论——抛弃了存在唯一的绝对时间的观念。不能以唯一的方式标记事件的时间。相反，每一个观察者都有他自己的时间测量，由他携带的钟记录，而且不同观察者携带的钟不一定一致。

这样，相对于测量时间的观察者而言，时间变成一个更为个人的概念。时间仍然被看成仿佛是一条笔直的铁轨，你只能往一个方向或另一个方向前进。如果该铁轨有环圈以及分叉，使得一直向前开动的火车返回原先通过的车站，那么会发生什么呢？

换言之，某人可能旅行到未来或回到过去吗？H·G·韦尔斯在《时间机器》一书中探讨了这些可能性，正好像其他无数的科学幻想作家那样。科学幻想的许多观念，如潜水艇以及飞往月球等都已被科学实现了。那么，时间旅行的前景如何呢？

旅行到未来是可能的 。那也就是说，相对论显示，人们可以创造一台时间机器，它使你在时间中往前跳跃。你步入时间机器，等待，步出，发现地球上的时间流逝比你体验到的要长久得多。我们今天还没有能够实现这些的技术，但是它只不过是个工程的问题：我们知道这是能够做到的。我们在第6章讨论过的双生子佯谬，利用那种情形是建造这种机器的一种方法。用这种方法，当你坐在这台时间机器里，它发射升空，加速到接近于光速，继续一段时间（依你希望在时间旅行中要超前多少而定），然后返回。因为根据相对论，时间和空间是相关的，时间机器也是宇宙飞船，你对此不应感到惊讶。无论如何就你而言，在整个过程中，你所呆的地方仅仅是时间机器之中。而当你步出，你将发现在地球上流逝的时间比你度过的更久。你已经旅行到未来。但是你能返回过去吗？我们能创造逆时旅行的必要条件吗？

1949年，库尔特·哥德尔发现了爱因斯坦方程的一个新解，也就是广义相对论允许的一个新的时空。这是物理定律可能真的允许逆时旅行的第一个预示。宇宙的很多不同的数学模型满足爱因斯坦方程，但是这不表明它们对应于我们生活其中的宇宙。比如讲，它们在其初始或者边界条件上不同。为了决定它们能否对应于我们的宇宙，我们必须检查这些模型的物理预言。

哥德尔是一位数学家，他由于证明了不完备性定理而名震天下。该定理是说，不可能证明所有真的陈述，哪怕你仅仅去证明就像算术那样显然枯燥乏味的学科中所有真的陈述。正如不确定性原理一样，哥德尔的不完备性定理也许是我们理解和预言宇宙能力的基本限制。在普林斯顿高级学术研究所里，哥德尔和爱因斯坦度过他们的晚年。在那段时间里他通晓了广义相对论。哥德尔的时空具有一个古怪的性质：整个宇宙都在旋转。

[插图]

时间机器

两位作者在时间机器中。

整个宇宙正在旋转是什么意思呢？旋转意味着不停地转下去，这难道不表明存在一个固定的参考点吗？这样，你也许会问道：“它相对于何物旋转？”其答案有点专业性，但是基本上是说，远处的物体相对于宇宙中的小陀螺或者陀螺仪的指向旋转。哥德尔时空的旋转性质有一个附加的数学效应。如果一个人从地球旅行到巨大距离以外，然后返回，他可能在出发之前就已经回到地球。

爱因斯坦过去认为广义相对论不允许时间旅行，而他的方程却允许这种可能性，这实在使他非常沮丧。尽管哥德尔发现的解满足爱因斯坦方程，因为我们的观测显示我们的宇宙不在旋转，至少没有明显地旋转，所以它不对应于我们生活于其中的宇宙。哥德尔宇宙也不膨胀，而我们的宇宙膨胀。然而，从那时以后， 研究爱因斯坦方程的科学家们已经找到了广义相对论的确容许逆时旅行的其他时空 。然而，微波背景以及对诸如氢和氦元素的丰度的观测表明，早期宇宙并不具有这些模型的允许时间旅行的那种曲率。如果无边界设想是正确的，根据理论也能得到同样的结论。这样，问题就变成：如果宇宙在起始时没有时间旅行所需的那类曲率，我们随后能否将时空的局部区域翘曲得足够厉害，进而允许时间旅行？

再重复一下，由于时间和空间是相关的， 一个和逆时旅行紧密相关的问题是你能否行进得比光还快 ，这一点也许不会使你惊讶。很容易看出，时间旅行意味着超光速旅行：在你旅程的最后阶段做逆时旅行，就能够使你的整个旅行，在你希望的任意短的时间内完成，而这样你就能以不受限制的速度行进！但是，正如我们将要看到的，倒过来也是成立的：如果你能以不受限制的速度行进，你也能够逆时旅行。其中一者成立而另一者不成立是不可能的。

科学幻想作家十分关切超光速旅行的争论。他们的问题是，根据相对论， 如果我们往最邻近的恒星，大约4光年那么远的比邻星，发射宇宙飞船，我们预期至少要等待8年，旅行者才能返回，而告知他们的发现。但若要到我们星系中心去探险，则至少要花费10万年才能返回。如果你要写星系际大战则前景不妙！不过，相对性理论的确让我们得到一个安慰，让我们再沿着第6章中关于双生子佯谬讨论的思路：对于空间旅行者来说，这个旅程可能比留在地球上的人要感觉短促得多。但是在空间旅行老了几年的人，再返回时并没有什么太大的喜悦，因为你会发现当时留下的每一个人都已经死亡几千年了。所以为了使人们对科学幻想作家们的故事感兴趣，他们必须假定，我们会有朝一日发现如何进行超光速旅行 。这些作者中的大多数似乎还未意识到这一事实，即如果你能超光速旅行，则相对性理论意味着你还能逆时旅行，正如以下五行打油诗所言：

年轻的小姐叫怀特，

她行比光快得多。

她以相对性的方式，

在当天才刚刚出发，

却早已于前晚到达。

与此相关的要点是，相对性理论不仅认为不存在让所有观察者同意的唯一的时间测量，而且认为在一定的情况下，观察者们甚至在事件时序上的看法也不必一致。特别是，如果两个事件A和B在空间上相隔得如此远，一个火箭必须行进得比光还快才能从事件A到达事件B，那么两位以不同速度运动的观察者，会对事件A在事件B之前发生，还是事件B在事件A之前发生产生异议。例如，假定事件A是2012年的奥林匹克竞赛的100米决赛的结束，而事件B是比邻星议会第100 004届会议开幕式。假设对于地球上的一名观察者而言，事件A发生在前，然后才是事件B。比方说按照地球的时间，B发生在一年之后，即2013年。由于地球和比邻星相距4光年左右，这两个事件满足上述的判据：虽然A在B之前发生，但是你必须进行超光速旅行才能从A到达B。那么对于在比邻星上，在离开地球方向以接近光速旅行的观察者看来，事件的时序就显得颠倒了：事件B在事件A之前发生。这位观察者会说，如果你可以超光速运动就能够从事件B到达事件A。事实上，如果你旅行得实在快，你还来得及在赛事之前从A赶回到比邻星，并且在得知谁是赢家的情形下投放赌注！

如果虫洞存在的话，它们可以为空间中相距遥远的点之间提供捷径。

要打破光速壁垒存在着一个问题。相对论告诉我们，一个宇宙飞船的速度越接近光速，用以对它加速的火箭功率就必须越大。对此我们已有实验的证据，但不是宇宙飞船的经验，而是在诸如费米实验室或者欧洲核子研究中心（CERN）的那些粒子加速器中的基本粒子的经验。我们可以把粒子加速到光速的99.99%，但是不管我们注入多大功率，也不可能把它们加速到超过光速壁垒。宇宙飞船的情形也类似：不管火箭有多大功率，它们也不可能加速到超过光速。而且因为只有在超光速旅行成为可能时，才能逆时旅行，这似乎既排除了高速空间旅行，又排除了逆时旅行。

然而，可能还有出路。 你也许可以把时空卷曲起来，使得在A和B之间有一条近路 。在A和B之间建立一个虫洞就是一个方法。顾名思义， 虫洞就是一个时空细管，它能把两个几乎平坦的相隔遥远的区域连接起来 。它有点像处于巍峨的山脊的底部。为了到达另一边，你通常要往上攀登很长距离，然而再往下来——但是如果有一个水平穿过岩体的巨大虫洞，你就不必如此了。你可以想象去建立或者发现从我们太阳系邻近通往比邻星的一个虫洞。尽管在通常的空间中地球和比邻星相隔200 000亿英里，而通过这个虫洞的距离却可能只有几百万英里。如果我们通过虫洞传递百米赛事的消息，可以比议会开幕早很多到达。但是后来一名向地球飞去的观察者也应该能找到另一个虫洞，使他能从比邻星议会的开幕赶在赛事之前回到地球。因此，正和其他可能的超光速旅行一样，虫洞允许人们逆时旅行。

时空不同区域之间的虫洞的思想并非科学幻想作家的发明， 它的来源是非常令人敬重的 。1935年，爱因斯坦和纳珍·罗森写了一篇论文。在论文中，他们指出广义相对论允许他们称为“桥”，而现在称为虫洞的东西存在。爱因斯坦-罗森桥只能维持很短时间，宇宙飞船来不及穿越：由于虫洞紧缩，飞船会撞到奇点上去。然而有人提出，一个先进的文明可能使虫洞维持开放。为了达到这个目的，或者用任何其他方式 翘曲 时空，以便时间旅行。你可以证明，你必须有一个负曲率的时空区域，如同一个马鞍面。通常的物质具有正能量密度，赋予时空正曲率，如同一个球面。所以，为了使时空卷曲到允许逆时旅行的方式，人们需要负能量密度的物质。

具有负能量密度是什么意思呢？能量有点像金钱：如果你的银行余额是正的，你就可用不同方式分配它，但是根据一个世纪前信奉的经典定律，你不得透支。于是，这些经典定律已经排除了负能量密度，也就是逆时旅行的任何可能性。然而，正如在前面几章所描述的， 以不确定性原理为基础的量子定律已经超越了经典定律。量子定律更慷慨些，只要你总的余额是正的，你就可以从一个或两个账户透支。换言之，量子理论允许在一些地方的能量密度为负，只要在其他地方的正的能量密度能把它补偿，使得总能量保持为正就可以了。因此，我们有理由相信，不但时空可被翘曲，而且它能被弯曲成允许逆时旅行所需要的样子。

根据费恩曼的对历史求和，在单个粒子尺度上，在某种程度上的确发生逆时旅行。在费恩曼方法中，通常粒子顺时运动等效于反粒子逆时运动。用他的数学方法，人们可以将一对粒子/反粒子一起创生并相互湮灭，看成单独粒子在时空中的一个闭圈上的运动。为了看到这一点，首先以传统方式想象这个过程。在某一时刻——比如说时刻A——创生了一对粒子/反粒子，两者都做顺时运动。接着在后来的时刻B，它们再互相作用，并且互相湮灭。在A之前以及B之后，两个粒子皆不存在。但是依照费恩曼的理论，你可用不同的观点看待之。一个单独粒子在时刻A创生，它顺时运动到B，然后它逆时回到A。取代粒子和反粒子一道的顺时运动，只有一个单独粒子沿着“圈环”从A运动到B然后再返回。当该物体顺时（从A至B）运动时，它被称为粒子。然而当该物体逆时（从B至A）旅行时，它显现为一个顺时旅行的反粒子。反粒子可以认为是向时间过去旅行的粒子。

因此虚粒子/反粒子对可以认为是在时空中的闭合圈环上运动的一个粒子。

这种时间旅行能产生观测效应。例如，假设粒子/反粒子对中的一个成员（例如，反粒子）落入黑洞中去，留下另一个成员，没有伙伴可与之相湮灭。这被遗弃的粒子也可以落入黑洞，但是它也可以从黑洞邻近逃逸。如果这样的话，对于一位远处的观察者，它就像一个从黑洞发射出的粒子。然而，你可以对从黑洞辐射的发射机制有一个不同但是等效的直觉的图像。你可把落入黑洞的粒子对的这个成员（例如反粒子）当成从黑洞中出来做逆时旅行的粒子。当它到达粒子/反粒子对一起出现的那一点时，它被黑洞的引力场散射成向时间正方向运动的粒子，并从黑洞逃逸。或者相反，如果粒子对的粒子成员落入黑洞，你可以把它当成逆时旅行的反粒子，并从黑洞出来。这样，黑洞的辐射显示，量子理论允许微观尺度上向时间过去的时间旅行。

因此，我们可以诘问量子理论是否容许以下的可能性，一旦在科学技术上取得进展时，我们是否最终能够设法建造一台时间机器。初看起来，似乎应该是可能的。费恩曼对历史求和的设想假定是对于所有历史进行的。这样，它应包括这类历史，其时空被翘曲到允许逆时旅行的程度。然而，即使已知的物理定律似乎不排除时间旅行，但是依然还有其他理由，质疑这是否真的可能。

问题在于，如果人们可以逆时旅行，为什么从未有来自未来的人，回来告诉我们如何实现呢？鉴于我们现在处于初级发展阶段，也许有充分理由认为，让我们分享时间旅行的秘密是不明智的。除非人类本性得到彻底改变，否则难以置信，某位从未来飘然而至的访客会贸然泄露天机 。当然，某些人会宣称，发现幽浮（UFO）就是外星人或者来自未来的人们造访的证据。（鉴于其他恒星的巨大距离， 如果外星人在合理的时间内到达此地，他们则需要超光速旅行，这样两种可能性其实是等同的 。）未曾有过来自未来的访客，这可以用以下方法解释， 因为我们观察了过去，并且发现它并没有允许从未来旅行返回所需的那类卷曲，所以过去是固定的 。 另一方面，未来是未知的、开放的，所以它很可能具有所需要的曲率。这意味着，任何时间旅行都被局限于未来 。此时此刻，柯克船长和进取号星际飞船没有机会来临。

这也许可以解释，当今世界为何还没被来自未来的游客充斥 。但是，如果可能回到以前并改变历史，则仍然不能回避另一类由此引起的问题：那么，为什么我们不和历史过不去呢？例如，假定某人回到过去并且将原子弹的秘密给予纳粹，或者你回到过去并且将你的曾曾祖父在他得到孩子之前杀死。这类佯谬有许多版本，但是它们在根本上是等效的：如果我们有改变过去的自由，则我们就会遇到矛盾。

似乎存在两种可能的方法去解决由时间旅行导致的佯谬。第一种可以称为协调历史方法。它是说，即使时空被卷曲得可能逆时旅行，在时空中所发生的必须是物理定律的协调的解。换言之，根据这个观点，除非历史已经表明，你曾经到达过去，并且当时并没有杀死你的曾曾祖父，或者没有采取任何行为，这些行为和到达你现状的历史相冲突，你才能在时间中回到过去。况且， 当你回到过去，你不能改变记载的历史，你仅仅是跟随着它。按照这一观点，过去和将来是注定的：你没有自由意志为所欲为。

当然，人们可以说，自由意志反正是虚幻的。如果确实存在一套制约万物的完备的物理理论，它也似乎决定你的行动。但是对于像人类这么复杂的机体，它的制约和决定方式是不可能计算的，而且这里还牵涉到量子力学效应引起的某种随机性。这样，有一种看法是，我们说人类具有自由意志，那是因为我们不能够预言他们未来的行为。然而，如果一个人乘火箭飞船出发并在这之前已经回返，因为他的未来行为是记载的历史的一部分，所以我们就能够预言之。这样，在那种情形下，时间旅行者在任何意义上都没有自由意志。

解决时间旅行佯谬的其他可能方法可以称做选择历史假想。其思想是，当时间旅行者回到过去，他们进入和记载的历史不同的另外的历史中去，这样，他们可自由地行动，不受和他们原先历史相一致的约束。史蒂芬·斯匹柏十分喜爱影片《回归未来》中的创意：玛提·马克弗莱能够回到过去，并把他双亲恋爱的历史改得更令人满意。

听起来，选择历史假想和理查德·费恩曼把量子理论表达成历史求和的方法相类似，正如第9章所描述的。这是说宇宙不仅仅有一个独立历史；它具有每一种可能的历史，每种历史都有各自的概率。然而，在费恩曼的设想和选择历史之间似乎存在一个重要的差别。在费恩曼求和中，每一种历史都是由完整的时空和其中的每一件东西组成的，时空可以被卷曲成可能乘火箭旅行到过去的程度。但是火箭要留在同一时空，并从而留在同一历史中，历史必须是一致的。这样，费恩曼的历史求和的设想似乎支持协调历史假想，而不支持选择历史的思想。

如果我们接受我们可称做时序防卫的猜测，就能避免这些问题。这是说， 物理学定律共同防止宏观物体将信息传递到过去 。这个猜测还未被证明，但是有理由相信它是真的。其原因是，当时空被翘曲得可能旅行到过去时，利用量子理论的计算显示，不断绕着一个闭合圈环运动的粒子/反粒子对能够产生足够大的能量密度，赋予时空以正的曲率，抵消了允许时间旅行的翘曲。因为究竟是否如此还不清楚，时间旅行的可能性仍然未决。但是不要为之打赌，你的对手或许具有通晓未来的不公平的优势。