时间的旅行：理论与挑战

时间旅行是否可能？或者说时空悖论会阻碍它的实现？

H.G.威尔斯的小说《时间机器》引发了一股热潮，从那时起，科幻小说中经常出现时间旅行的情节，也证明了它的受欢迎程度。威尔斯和他的同时代作家写过的许多其他未来主义概念早已成为现实，但我们似乎离时间旅行还很遥远，至少与人们普遍设想的那种时间旅行相去甚远。那么，时间旅行真的可能实现吗？

物理学提供了可能性的理由，首先是它作为第四维度的属性。然而，时间旅行也存在许多障碍，其中一些障碍可能无法克服。

回答这类问题需要从对时间旅行的定义开始。从某种意义上说，我们都在时间中旅行，以每秒一秒的速度接近未来。当然，这不是人们所说的，但这表明我们需要对定义进行更深入的思考。

某些形式的时间旅行绝对是可能的，尽管它们可能更接近人们普遍理解的时间旅行，但它们实际上并非如此。我们从狭义相对论中知道，对于以接近光速的速度移动的人来说，时间流逝的速度与静止的人不同。因此，飞往火星的宇航员，特别是比目前考虑的更快的宇航员，会经历非常轻微的时间膨胀效应。从某种角度来看，当他们返回地球时，地球的时钟，包括生物钟在内，都会与他们自己的时钟略微不同步。

对于像这样的短途旅行，差异是微小的，而且在老化方面被零重力的影响所掩盖。时间变化更明显、路途更遥远和时间更长的旅程可能远远超出我们目前的能力，更不用说预算了，但我们知道它们在理论上是可能的。那种太空旅行者返回地球时几乎没有变化，但他们的家人已经衰老了几十年的时间旅行可能会发生，并且如果人类不因战争或环境崩溃而偏离其进步的轨道，那么它们很可能会发生。

除非某种力使旅行者相对于地球的位置保持不变，否则你将会发现自己无助地漂浮在太空中，等待地球赶上来。撇开这个问题不谈，可以看出地球作为宇宙中心的观点已经被哥白尼所否定。

如果你认为时间旅行涉及动量的守恒，那么旅行者很可能最终会出现在他们出发地附近，但方向的细微变化仍然可能导致位置的相对变化，这可能被证明是致命的。

然而，像这样的反对意见并不能使时间旅行变得不可能，只是不切实际罢了。

除了提出时间膨胀效应的可能性之外，爱因斯坦的狭义相对论还暗示，空间和时间比之前假设的联系更紧密。在广义相对论中提出了四维时空的概念，并在广义相对论中进行了发展，爱因斯坦在其中表明巨大的质量可以使时空发生弯曲，包括物理学家所说的世界线。

其中一个结果是，与接近光速时的效果一样，在强大的引力场中也会发生类似的时间膨胀效应。如果你想体验皮秒级的时间旅行，那就爬上一座山或乘坐飞机，让你与地球引力之间产生一些距离。

更重要的是，如果这种扭曲变得足够极端，它应该会产生一个所谓的“闭合时间类曲线”(CTC)，如果严格遵循它，就会把你带回更早的时间。

正如《时间旅行的量子物理学》一书中所指出的那样：“如果时间旅行是不可能的，那么原因还没有被发现。”

尽管如此，显然我们对时间有很多不了解的地方。如果它仅仅是第四维，为什么我们能轻易地改变我们在空间中的位置，却不能在时间中做到这一点，除了让它像河流一样把我们向前带？答案可能是在时间旅行中创造出我们尚未识别的物理障碍。

祖父悖论

穿越时空最明显的问题是：意外地(或故意地)杀死你的祖父，而你从未出生，那么你怎能杀死他们？科幻小说作家通常以此作为情节安排，迫使他们的角色撤销他们所做出的改变。结局产生了一个世界，其中所有关键细节都足够相似，以至于旅行可以没有悖论地发生，但事情仍然变得更好。

这对小说来说很好，但科学家们必须承认，这种结果不太可能发生。

解决祖父悖论的一种可能是多元宇宙解释。如果属实，那么在每次可能以不同方式发生的事件发生时，都会有无数个宇宙彼此分支。在这种情况下，你的祖父在设想你的父母之前神秘死亡的宇宙和你所经历的宇宙一样真实，而时间旅行仅仅意味着从这个宇宙跳到另一个宇宙。

祖父悖论的变体是自举悖论，时间旅行创造了它自己发生所需的条件。一个例子可能是某人从未来收到关于如何制造时间机器的说明，从而创造了一个世界，他们的未来自我可以将这些说明发送回去。尽管自洽，这些情况仍然留下了这样一个问题：这些信息最初来自哪里。再一次，这是小说作家可以在像《终结者》这样的电影中随随便便一笔带过的东西，但物理学家必须直接面对。称它们为闭合因果循环可能会加速交流，但这并不能解决问题。

然而，尚不清楚悖论是否真的会阻止某人穿越时空，即使它们可能使其成为一个非常糟糕的主意。

单程旅行？

如今，大多数时间旅行故事都涉及回到过去试图改变我们不满意的事情。然而，威尔斯的《时间机器》描述了一个旅者穿越时空，见证人类的衰落，最终是地球的衰落。这避免了祖父悖论，而且很可能更加合理。

这样的穿越时空旅行可能会很有吸引力，特别是如果你希望未来比过去更好——你将享受那些解决今天问题的人所收获的好处，而无需做任何工作。如果开始思念你的亲人并希望返回家园，问题就会出现。至少，回到自己的时代将面临自举悖论的风险，即在旅行中收集的信息被用来将预见的世界变成现实。

如果是这样，该怎么做呢？

如果我们接受时间旅行是可能的，悖论是可以解决的，并且这是我们愿意冒险的，那么仍然存在一个问题，那就是如何实现。

一个听起来简单的解释是，需要比光速更快地旅行，但这更容易说比容易做。在一种减慢光速的介质中，可以以比局部光速更快的速度传播，我们在切伦科夫效应中看到了这一点。然而，这并不能让你进入 19 世纪。为此，你需要比真空中的光速更快。尽管超光速旅行并非本质上不可能，但具有质量的物体不能以光速运动，这给以超光速移动制造了障碍。在实践中，人们如何在不达到光速的情况下从低于光速加速到超光速？

根据斯蒂芬·霍金的说法，实现时间旅行的先决条件是存在奇异物质，特别是具有负能量的物质。这并不一定像听起来那么不可能，但到目前为止，我们还没有发现任何负质量粒子的存在，这与反物质形成了鲜明的对比，反物质虽然稀有，但肯定存在。

为什么它们不在这里？

最终，反对时间旅行的最有力证据可能是费米悖论的等价版本。如果时间旅行是可能的，为什么我们没有遇到任何来自未来的游客？霍金甚至还向他们发出了邀请。

要么人类从未发明过时间旅行，要么我们的后代发明过，但已经非常负责任地使用了它。考虑到我们在其他所有技术上的记录，后者似乎不太可能。

本文译自 IFLScience，由 BALI 编辑发布。