1895年，赫伯特·喬治·威爾斯(H.G. Wells)發(fā)表了他的第一部小說《時間機器》（Time Machine）。這時，有著200年歷史的牛頓物理時代也即將走向衰落。在1905年，阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)發(fā)表了狹義相對論理論，這讓艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的理論遇到了巨大的麻煩，但威爾斯卻因此高興不已。在愛因斯坦的理論中，許多在牛頓構(gòu)建的世界下不可能發(fā)生的事情都有了轉(zhuǎn)機，比如飛向未來的時間旅行。

時間旅行不僅是可能的，它已經(jīng)實實在在地發(fā)生了，盡管和威爾斯的想象可能不完全一樣。根據(jù)普林斯頓大學(xué)天體物理學(xué)家J·理查德·戈特(J. Richard Gott)所說，迄今旅程最長的時間旅行者是謝爾蓋·克里卡列夫(Sergei Krikalev)。在職業(yè)生涯中，這位俄羅斯宇航員在太空中呆了803天。就像愛因斯坦所證明的那樣，相比較那些靜止的物體而言，運動物體的時間流逝會更慢一些。所以當(dāng)克里卡列夫在和平號空間站（Mir space station）里以27 359千米/小時的速度在軌道上運動時，時間流逝的速率與地球上的并不相同。當(dāng)克里卡列夫在空間站時，他比那些地球上的伙伴們年輕了1/48秒。換而言之，他向未來穿行了1/48秒。

在太空中飛行803天之后，克里卡列夫(左)已經(jīng)向未來前進了1/48秒。

對于高速物體長距離運動而言，時間穿梭的效應(yīng)更加明顯。如果克里卡列夫現(xiàn)在離開地球，并以光速的99.995%在獵戶座的恒星參宿四（Betelgeuse；距離地球520光年）與地球之間做一趟來回飛行。當(dāng)他回到地球時，僅僅老了10歲，但是非常遺憾的是，他認識的所有人都早已去世，因為地球上已經(jīng)過了1 000年。戈特說，“我們已經(jīng)知道，我們可以做到向未來飛越，這僅僅是錢和工程技術(shù)的問題。”

盡管在實踐時有很多的困難，但是向前穿越幾個納秒（甚至幾個世紀）卻是非常直觀和容易理解的。然而，回到過去就難得多。起初，愛因斯坦的狹義相對論是禁止向過去穿越的，經(jīng)過10多年的努力，在他發(fā)表廣義相對論時，已經(jīng)在理論中消除了對回到過去的限制?？墒牵绾巫屓嘶氐竭^去依舊是一個非常棘手的問題。廣義相對論方程有很多的解，不同的解將會賦予宇宙不同的性質(zhì)，只有在某些特定的解中，才能創(chuàng)造出可以返回過去的條件。

目前我們還不清楚，其中是不是有一個解確切地描述了我們的宇宙。而這個問題又引出了更深層次的一些研究課題：比如，到底要在基礎(chǔ)物理領(lǐng)域中做出多少細微的調(diào)整，才能允許我們回到過去？即使愛因斯坦的理論沒有禁止我們回到過去，但是我們的宇宙本身會不會通過某種方式阻止這樣的旅行？物理學(xué)家一直思考著這些問題，并不是因為他們想象著某天時間穿越能成為現(xiàn)實，而是因為思考時間穿越的可能性，能讓我們對自身居住的宇宙有更深入甚至意想不到的認識，比如，最初它是怎么產(chǎn)生的。

威爾斯很有先見性地認為，我們生活在一個由三維空間和一維時間交織在一起的四維時空當(dāng)中。而愛因斯坦的狹義相對論在某種程度上，讓威爾斯十分欣喜，因為它讓時間有了延展性。當(dāng)時，愛因斯坦在研究什么？首先，盡管所有的運動都是相對的，但在宇宙任何地方，在任何人看起來，物理定律必須是一樣的。第二點，從任何一個參考系觀察，光速必須是不變的：如果每個人都看到了同樣的物理定律在起作用，那么當(dāng)他們測量光速時，一定會得到相同的結(jié)果?；谶@兩點思考，愛因斯坦獲得了突破性的成功。

為了讓光速成為普適的速度限制，愛因斯坦必須拋棄兩個常識性的概念：對于一段給定的長度，所有觀測者得到的觀測結(jié)果都一樣；對于所有人來說時間流逝的快慢是一致的。他證明，當(dāng)一個時鐘快速地經(jīng)過一個靜止的人時，運動時鐘要比這個人身旁的靜止時鐘走得慢。同時，快速運動的尺子，長度也會縮短。而對與時鐘和尺子按照同一速度運動的人來說，時間的推移和尺子的長度都是正常的。

在低速下運動時，狹義相對論的時空扭曲效應(yīng)是可以忽略不計的。但是對于運動速度接近光速量級的物體而言，這種效應(yīng)是真實存在的。比如，許多的實驗已經(jīng)證實，一種叫做μ子(muon)的不穩(wěn)定粒子在以接近光速的速度運動時，衰變速率減慢了一個數(shù)量級。實際上，這種高速運動的μ子，就是縮小版的時間旅行者（亞原子層次上的克里卡列夫），它向未來跳躍了幾個納秒。

那些快速運動的時鐘、尺子和μ子都是在向未來運動，他們是否能夠回到過去？庫爾特·哥德爾（Kurt G?del）利用廣義相對論描述了一個可以穿越到過去的宇宙,他也是第一個找出這樣的宇宙的人。他是著名的不完備定理（the incompleteness theorems）的創(chuàng)立者，這個定理劃定了數(shù)學(xué)能夠證明什么和不能證明什么的范圍。

愛因斯坦70歲生日的時候，哥德爾將這個宇宙模型作為禮物送給了愛因斯坦，但愛因斯坦對這樣的宇宙模型充滿了懷疑。哥德爾所描述的宇宙具有兩個獨特的性質(zhì)：它是旋轉(zhuǎn)的，這樣就能提供離心力，防止宇宙中的物質(zhì)塌縮到一起，也就滿足了愛因斯坦對于任何一個宇宙模型都必須穩(wěn)定的要求。但是，它同時允許向過去穿越的時間旅行，這一點讓愛因斯坦深深不安。在哥德爾的宇宙模型中，一個太空旅行者出發(fā)后，能夠最終到達她（他）自己過去的某一點，好比旅行者在一個巨大圓柱體的表面走完了一圈。物理學(xué)家將這個時空軌跡稱之為“閉合類時曲線 ”(closed timelike curves)。

在時空中，一個閉合類時曲線可以是任何能夠返回到自身的路徑。在哥德爾的旋轉(zhuǎn)宇宙中，這樣的曲線就像地球表面的緯度線一樣環(huán)繞整個宇宙。物理學(xué)家已經(jīng)設(shè)計出了很多不同類型的閉合類時曲線，至少在理論上，所有這些曲線都是允許回到過去的。不過，沿著任何一條曲線的旅行都會顯得平淡無奇、甚至讓人失望，你通過飛船的舷窗看到是恒星和行星這些宇宙空間中的尋常景象。更為重要的是，在這次的旅途中，你自己鐘表上的時間將會按照正常的速率向前流逝，盡管你會回到過去的一個時空位置上，但是時鐘的指針卻并不會因此反向轉(zhuǎn)動。

朱利安·巴伯 (Julian Barbour)是一位獨立的理論物理學(xué)家，他說，“早在1914年的時候，愛因斯坦已經(jīng)意識到了閉合類時曲線可能存在?！睋?jù)巴伯回憶，愛因斯坦曾說過：“我的直覺強烈地反對它?！边@類曲線的存在會給因果律帶來各種各樣的問題。如果事情已經(jīng)發(fā)生，過去如何能被改變？還有一個古老的祖父悖論：如果一個時間旅行者在他的祖父遇見他的祖母之前，就將祖父殺死，那么在這個時間旅行者身上會發(fā)生些什么，這位瘋狂的旅行者還會出生嗎？

幸運的是，對于那些因果論的愛好者來說，天文學(xué)家目前沒有發(fā)現(xiàn)任何宇宙在旋轉(zhuǎn)的證據(jù)。哥德爾自己也曾苦心鉆研星系列表，尋找可能證明自己理論的線索?；蛟S哥德爾沒有設(shè)計出一個真實的宇宙模型，但他的確證明了閉合類時曲線和廣義相對論的方程是完全相容的。物理定律并未排除向過去穿越的可能。

在過去的幾十年中，宇宙學(xué)家已經(jīng)利用愛因斯坦的方程，構(gòu)建了許多不同的閉合類時曲線。哥德爾要求整個宇宙有某種特性才能使其存在，但是，最近的一些熱衷于時空穿梭的人發(fā)現(xiàn)，在宇宙局部區(qū)域彎曲時空也能制造出閉合類時曲線。

在廣義相對論中，行星、恒星、星系和其他大質(zhì)量天體都會彎曲時空。彎曲的時空反過來將會引導(dǎo)這些大質(zhì)量物體的運動。就像后來的物理學(xué)家約翰·惠勒(John Wheeler)所說的，“時空告訴物體如何運動；物體告訴時空如何彎曲”。在非常極端的情形中，時空或許能彎曲到一定的程度，從而創(chuàng)造出從現(xiàn)在回到過去的路徑。

物理學(xué)家們已經(jīng)提出了一些非常奇怪的機制，試圖創(chuàng)造這樣的路徑。在1991年的一篇文章中，戈特證明如何在兩根宇宙弦（cosmic string：一種無限長，比原子尺度還要薄的結(jié)構(gòu)，或許形成于宇宙早期）交匯的地方產(chǎn)生閉合類時曲線。1983年，加州理工學(xué)院的物理學(xué)家基普·索恩 (Kip Thorne)開始探討一種叫做蟲洞的閉合類時曲線的可能性（蟲洞是一種連接不同時空地點的通道），這種蟲洞或許允許回到過去?！霸趶V義相對論中，如果你連接了兩個不同的空間區(qū)域，那么你也連接了不同的時間區(qū)域”，肖恩·M·卡羅爾(Sean M.Carroll)說，他是索恩在加州理工學(xué)院的同事。

進入蟲洞的入口將是球形的，它是一個進入四維通道的三維入口。像所有的閉合類時曲線一樣，通過蟲洞的旅行“和其他旅行沒什么不同”，卡羅爾說，“并不是你在這個時刻消失，然后在另外一個時刻被重新組裝起來。目前還沒有任何合適的理論允許這種科幻似的時間旅行”。對于所有的旅行者而言，他補充道：“時間都是在一秒一秒地向前流逝，只是你當(dāng)?shù)貢r間‘向前’的速率和宇宙其他地方不那么同步而已”。

盡管物理學(xué)家能夠?qū)懗雒枋鱿x洞或者其他閉合類時曲線的方程，但所有的模型都有嚴重的問題?？_爾說，“首先，為了得到一個蟲洞，你需要負能量”。一塊空間中的能量會自發(fā)漲落，當(dāng)它小于零時，就會出現(xiàn)負能量。如果沒有負能量，蟲洞的球形入口和四維通道就會瞬時向內(nèi)塌縮。對于能被負能量一直支撐，并且保持開放狀態(tài)的蟲洞，卡羅爾說：“看起來非常困難，甚至是不可能的。在物理上看來，負能量也是很糟糕的一件事?！?/span>

即使負能量能夠保持蟲洞敞開，在你想借此制造時間機器時，“粒子會穿過蟲洞，而且每個粒子都會來回穿梭無限多次，”卡羅爾說，“這可會產(chǎn)生無窮大的能量。”而巨大的能量會讓時空變形，使整個蟲洞塌縮成黑洞（一個在時空中無限致密的點）?？_爾說：“我們不是100%確信這一切會發(fā)生，但是看起來非常有可能。實際上宇宙正在通過制造黑洞來阻止你制造一架時間機器?！?/span>

即使蟲洞在現(xiàn)實環(huán)境中行不通，但它符合廣義相對論的事實也有重要的意義?！拔矣X得非常奇妙，即使距離將時間旅行掃地出門只有一步之遙，但我們就是沒法做到，這也讓我有些懊惱，”卡羅爾說。更令人惱火的是，在愛因斯坦優(yōu)美的理論中，居然允許存在看起來幾乎不可行的事情。但是仔細考慮這些令人心煩的可能性，物理學(xué)家或許可以對我們所居住的宇宙有更深入的理解?；蛟S，如果我們宇宙不允許向過去穿越，那它就根本不會存在。

廣義相對論在最大的尺度上描述了宇宙，而量子力學(xué)則提供了原子尺度上的說明書。同時，量子力學(xué)為閉合類時曲線提供了另一種可能出現(xiàn)的場合——宇宙起源之時。

威斯康辛大學(xué)密爾沃基分校的物理學(xué)家約翰·弗里德曼（John Friedman）說：“在極小的尺度上（10^–30厘米），時空的拓撲結(jié)構(gòu)可能發(fā)生漲落，如果沒有出現(xiàn)任何基本層面的理論障礙，隨機漲落中或許會出現(xiàn)閉合類時曲線?！蹦敲茨懿荒苡媚撤N方法放大和控制量子漲落，把它變成時間機器？“雖然沒有明確的證據(jù)說明不能在宏觀尺度上擁有閉合類時曲線，”弗里德曼說，“但是，凡是考慮過這些問題的人們都不支持這種觀點。”

毫無疑問，不管是在量子尺度還是在宇宙尺度上，創(chuàng)造一個時空的環(huán)路都是需要非常極端的物理條件。戈特說，最有可能出現(xiàn)極端物理條件的地方，就是宇宙最開始的地方。

1998年，戈特和天體物理學(xué)家李立新共同發(fā)表了一篇文章，在文章中，他們認為閉合類時曲線不僅是可能的，而且對解釋宇宙起源是非常必要的。戈特說，“我們研究了宇宙孕育出自己的可能性，也就是說，宇宙最開始那一刻的閉合時間回路，能否讓宇宙創(chuàng)造出自己?！?

戈特和李立新的宇宙模型就像標準的大爆炸宇宙學(xué)（一種遍及各處的能量場驅(qū)動了宇宙的初始膨脹）一樣，以一段暴脹作為開始?，F(xiàn)在，許多科學(xué)家都相信，暴脹除了形成我們所在的宇宙，還形成了無數(shù)其他的宇宙。“暴脹一旦開始，就很難停止，”戈特說，“它就像一株具有無窮條枝杈的樹，我們只是其中一個分枝。但是，你必須問自己，主干來自哪里？李立新和我認為，很有可能是其中一個分枝回環(huán)構(gòu)成了一個循環(huán)，然后成長為主干。”

如果對戈特和李立新的自啟動式宇宙做一個非常簡單的二維速寫，它看起來就像是數(shù)字“6”，時空的環(huán)路位于底部，我們現(xiàn)在的宇宙位于頂端。戈特和李立新從理論的角度推斷，突然出現(xiàn)的暴脹允許宇宙從時間環(huán)路中逃離，并且膨脹成我們當(dāng)前居住的宇宙。

要理解這個宇宙模型有些困難，但是戈特卻認為，這個理論最吸引人的地方在于，它消除了“憑空創(chuàng)造出一個宇宙”的需求。然而塔夫茨大學(xué)的亞歷山大·維蘭金(Alexander Vilenkin)，劍橋大學(xué)的斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)，和加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的詹姆斯·哈妥（James B. Hartle）共同提出了一個模型，在這個模型中宇宙就是憑空產(chǎn)生的。根據(jù)量子力學(xué)，真空并不是絕對的空，它充滿了虛粒子，這些粒子會自發(fā)產(chǎn)生并且迅速湮滅。霍金和他的同事理論推測，我們的宇宙也同樣來自量子真空。但是在戈特看來，宇宙不是產(chǎn)生于“虛無”，它應(yīng)該是從它自己中誕生的。

目前，我們沒有任何的辦法來驗證這些理論中有哪個可以真正解釋宇宙的起源?！拔覀兺ㄟ^查看一些極端環(huán)境來測試物理定律。對于向過去穿越的時間旅行，邏輯上沒有任何限制，只是它不符合我們已經(jīng)熟悉甚至習(xí)慣的宇宙而已，”戈特說，“我們的宇宙如何走到了現(xiàn)在，這才是重要的。”

相比于物理，這些瘋狂的推測和想法更貼近哲學(xué)。但是，量子力學(xué)和廣義相對論（強大并且反直覺的理論）已是目前能夠幫助我們弄明白這個宇宙的全部理論。在未來，會不會出現(xiàn)新的理論，完全否定向過去穿越的可能性？或者說，新的理論讓我們再次驚嘆原來宇宙比我們想象的更加奇怪？

在愛因斯坦重新定義了時間之后，物理學(xué)已經(jīng)取得了突飛猛進的發(fā)展。曾經(jīng)，時間穿越只存在于威爾斯的小說中，現(xiàn)在，我們在現(xiàn)實生活中，至少能實現(xiàn)向未來穿越。當(dāng)我問戈特，是不是很難相信宇宙間存在某種對稱性，讓我們可以在時空中穿行？他用一則軼事回答我說，“一次，愛因斯坦和一個年輕人聊天。年輕人抽出筆記本，在上面寫下了一些東西。愛因斯坦問，那是什么？年輕人說，一個筆記本，只要我有好想法，就會把它記下來。愛因斯坦說，我從來不需要筆記本，因為我只有三個好的想法?！?/span>

戈特說：“我想，我們在等待一個新的好想法。”

撰文：蒂姆·福爾杰（Tim Folger）

翻譯：茍利軍