新智元·7小時(shí)前

為什么不能時(shí)光旅行？

科學(xué)總是給一些幻想打上不可能的標(biāo)簽。穿越時(shí)空大概是所有人最想做的事了，到過(guò)去見(jiàn)一見(jiàn)思念的人，到未來(lái)看看自己過(guò)的怎樣。但廣義相對(duì)論提出已經(jīng)一百多年了，為什么時(shí)光機(jī)還沒(méi)造出來(lái)！

懷舊空吟聞笛賦，到鄉(xiāng)翻似爛柯人。

「爛柯人」講的是晉朝一個(gè)叫王質(zhì)的人上山砍柴，就看了一會(huì)別人下象棋，發(fā)現(xiàn)斧子已經(jīng)爛了，回到家竟已過(guò)了數(shù)百年，和他同一時(shí)代的人都不在了。

但這個(gè)神話故事存在很多疑點(diǎn)，數(shù)百年的時(shí)光去哪了？王質(zhì)進(jìn)入了時(shí)空蟲(chóng)洞嗎？要是再多看一會(huì)下棋，豈不是都穿越到2021年了？天上一天，地上一年有科學(xué)道理嗎？

不少人也是在爛柯人的故事中感慨和幻想著「時(shí)空穿越」。

好消息是，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論提供了一種穿越時(shí)空理論上的可能性，只需要超越光速或者進(jìn)入能夠扭曲時(shí)間的黑洞中，就能夠穿越時(shí)空。

當(dāng)然了，能否實(shí)現(xiàn)是工程上的問(wèn)題，并非理論物理學(xué)家要解決的問(wèn)題。

壞消息是，時(shí)間維度和空間的三個(gè)維度實(shí)際上是混合在一起的，雖然我們?cè)诳臻g中可以前進(jìn)和后退，但時(shí)間維度上卻無(wú)法倒流，這也是宇宙的規(guī)則。每當(dāng)我們想要制造一臺(tái)時(shí)光旅行機(jī)器，宇宙就會(huì)毫不留情的給你加一條規(guī)則。

想超光速進(jìn)行時(shí)間旅行？不好意思，宇宙內(nèi)不能超越光速。

時(shí)空旅行根本不可能？

關(guān)于時(shí)空旅行的辯論，從物理學(xué)一直打到了哲學(xué)。

法國(guó)科幻小說(shuō)作家René Barjavel在1943年時(shí)提出了著名的「祖父悖論」。

假如你回到過(guò)去，在自己父親出生前把自己的祖父殺死，那么此舉動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一矛盾的情況：你回到過(guò)去殺了你年輕的祖父，祖父死了就沒(méi)有父親，沒(méi)有父親也不會(huì)有你，那么是誰(shuí)殺了祖父呢？或者你的存在表示，祖父沒(méi)有因你而死，那你又怎么殺死祖父？

但物理學(xué)家對(duì)此表示，如果現(xiàn)有理論解釋不了，我就再來(lái)一個(gè)，于是「平行宇宙」出現(xiàn)了。

當(dāng)你回到過(guò)去殺你的祖父時(shí)，你殺的其實(shí)是另一個(gè)宇宙的人，或者你的這個(gè)舉動(dòng)也可以創(chuàng)造一個(gè)新的平行宇宙，而祖父的死只會(huì)使那個(gè)平行宇宙的人不再存在，而這個(gè)平行宇宙的人則平安無(wú)事。

還有一種解釋是，也許能夠進(jìn)行時(shí)空旅行，但你所能做的事實(shí)際上受到宇宙的限制，過(guò)去的事發(fā)生后無(wú)法再變，你不能殺死祖父，但你「扮演」一個(gè)陌生人給你的祖父和祖母安排一場(chǎng)相親還是沒(méi)問(wèn)題的！

也有哲學(xué)家認(rèn)為，是否時(shí)間這個(gè)概念只存在于人類(lèi)意識(shí)中，只是用來(lái)同步人類(lèi)感官的一種形式。也許錯(cuò)在我們，把這種主觀概念強(qiáng)加給了宇宙，那關(guān)于時(shí)間的研究也就沒(méi)什么意義了。

廣義相對(duì)論帶來(lái)希望

愛(ài)因斯坦于1916年在廣義相對(duì)論（General Relativity）中首次將引力場(chǎng)解釋成時(shí)空的彎曲。把宇宙想象成一個(gè)「大床墊」，上面的球越重，產(chǎn)生的凹陷越大，附近的球向他滾動(dòng)的也越快，看起來(lái)就像是被吸引過(guò)去一樣。除了空間維度外，床墊上的凹陷也會(huì)扭曲球附近的時(shí)間。

也就是說(shuō)，有了廣義相對(duì)論，我們就能知道床墊的凹陷程度，根據(jù)凹陷程度，我們又能知道床墊上的球如何運(yùn)動(dòng)。

為了造出時(shí)光機(jī)器，物理學(xué)家們又提出封閉類(lèi)時(shí)曲線（Closed Time-like Curve, CTC）的概念，試圖找到一條物質(zhì)粒子在四維時(shí)空中的封閉運(yùn)動(dòng)軌跡。

也就是說(shuō)，如果存在一條軌跡，能夠讓粒子在時(shí)空中走了一圈后又回到了原點(diǎn)，并且在整個(gè)過(guò)程中粒子的速度都沒(méi)有超過(guò)光速的話（也沒(méi)法超過(guò)光速），不就完成穿越時(shí)空了嗎，時(shí)光機(jī)不就造出來(lái)了嗎！

過(guò)去幾十年科學(xué)家們一直在嘗試解決時(shí)間旅行的問(wèn)題，并且最詭異的是，CTC竟然在理論上是真實(shí)存在的！

著名數(shù)學(xué)家哥德?tīng)柊l(fā)現(xiàn)，如果一個(gè)宇宙中充滿(mǎn)了緩慢旋轉(zhuǎn)的均勻塵埃（uniform dust），由于轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力和引力相互抵消，我們能夠在宇宙中找到纏繞在自己過(guò)去時(shí)間的軌道，這樣的宇宙也稱(chēng)為哥德?tīng)栃D(zhuǎn)宇宙。

于1916年首次提出的蟲(chóng)洞（wormhole）也能夠充當(dāng)時(shí)間機(jī)器。理論上來(lái)說(shuō)，蟲(chóng)洞是連結(jié)兩個(gè)遙遠(yuǎn)時(shí)空的空間隧道，由星體旋轉(zhuǎn)和引力共同作用下產(chǎn)生的，雖然蟲(chóng)洞無(wú)處不在但卻轉(zhuǎn)瞬即逝。迄今為止，科學(xué)家們還沒(méi)有觀察到蟲(chóng)洞存在的證據(jù)。

1974年物理學(xué)家弗蘭克進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，如果存在一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的圓柱體，當(dāng)圓柱體旋轉(zhuǎn)到接近光速的時(shí)候，它的外部時(shí)空已經(jīng)是一個(gè)CTC了，如果沿著這個(gè)柱子走一圈就會(huì)發(fā)現(xiàn)自己又回到了原點(diǎn)，還會(huì)遇到另一個(gè)剛開(kāi)始準(zhǔn)備繞圈的自己。這個(gè)柱體也稱(chēng)為提普勒柱體。

黑洞的內(nèi)部也是一個(gè)相當(dāng)神奇的地方，同時(shí)存在極強(qiáng)的離心力和引力，也有可能產(chǎn)生CTC。

理論存在，實(shí)踐開(kāi)始?。ㄕ`）

在廣義相對(duì)論的框架下，還有更多CTC的解被研究出來(lái)，一次又一次的證明時(shí)間機(jī)器存在的可能性，但這些解都有著極其特殊的要求，特殊到真實(shí)世界中根本達(dá)不到要求！

隨著物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，在宇宙微波背景的觀察下，我們只能絕望的宣布，宇宙并不是旋轉(zhuǎn)，無(wú)限長(zhǎng)的圓柱體并不存在，黑洞的內(nèi)部出現(xiàn)了奇點(diǎn)（singularities，常用的物理學(xué)定律在奇點(diǎn)上統(tǒng)統(tǒng)失效），蟲(chóng)洞的不穩(wěn)定性甚至無(wú)法承受一個(gè)光子的通過(guò)。

既然造時(shí)光機(jī)這么難，那我證明造不了時(shí)光機(jī)不就行了？

巧的就是，類(lèi)似于上面的CTC的各種解，物理學(xué)家們總能在廣義相對(duì)論中找到能夠進(jìn)行時(shí)間旅行的證據(jù)，但每次又能在這些方法中找到一些無(wú)法達(dá)成的條件，似乎上帝還沒(méi)有決定好是否給人類(lèi)開(kāi)放「時(shí)間旅行」的權(quán)限？

由于在CTC的研究上沒(méi)有取得任何進(jìn)展，研究人員需要換一種思路來(lái)解釋「為什么時(shí)間箭頭只能向前」？

物理學(xué)家的第一反應(yīng)就是研究基礎(chǔ)粒子?。〉窖芯烤驮嚼Щ?，微觀粒子的相互作用竟然都具有「時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性」，也就是說(shuō)一個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程不管是正著看還是反著看都是一樣的。

就像手里拿著一個(gè)蘋(píng)果向上拋，以拋?zhàn)鳛槠鹗脊?jié)點(diǎn)，以接住為終止節(jié)點(diǎn)錄了一段視頻的話，就算視頻是倒放的，我們也看不出來(lái)。

當(dāng)然，宏觀上是不存在時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性的。

由于熱力學(xué)第二定律，所有孤立系統(tǒng)都會(huì)朝著最大熵狀態(tài)進(jìn)行演化，也就是說(shuō)不管在宏觀上做什么，只要有溫度，微觀粒子就在不停地運(yùn)動(dòng)，消耗能量，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的熵（混亂程度）隨著時(shí)間的一直在不斷增大，兩個(gè)系統(tǒng)之間無(wú)法進(jìn)行反演。

有人在屋子里嗦了個(gè)粉，漸漸地屋子里都是螺螄粉的味道，在屋子內(nèi)所有的空氣分子都在不停地運(yùn)動(dòng)，熵逐漸增大且不可逆，但空氣中的分子間碰撞卻是時(shí)間對(duì)稱(chēng)的。

熱力學(xué)的箭頭和時(shí)間的箭頭好像突然一致了起來(lái)，所以熵就是時(shí)間？人類(lèi)一直以為的時(shí)間概念只不過(guò)是熵增的一個(gè)過(guò)程？為什么宇宙是熵增的？

目前我們還沒(méi)有觀察到違反熱力學(xué)第二定律的現(xiàn)象，但熱力學(xué)對(duì)時(shí)間的解釋只是「描述了時(shí)間不可逆這個(gè)現(xiàn)象」，并沒(méi)有解釋「時(shí)間是怎樣產(chǎn)生的」。

雖然熵的概念在十八世紀(jì)中葉就提出來(lái)了，但目前也還沒(méi)有人證明時(shí)間的推移和熵增之間的明確關(guān)聯(lián)，物理學(xué)家們還在各種各樣的概念中尋找靈感去解釋時(shí)間，未來(lái)也許真的能制造出一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的圓柱體、或者制造一個(gè)蟲(chóng)洞來(lái)進(jìn)行時(shí)間旅行？

至少宇宙還沒(méi)有明令禁止時(shí)間旅行！

關(guān)于「穿越時(shí)空」的討論總是讓人興奮，但小編能做的只是坐等時(shí)光機(jī)的出現(xiàn)。