物理定律允許先進(jìn)文明的成員以他們希望的速度穿越到未來(lái)。而回到過(guò)去又是另一回事；我們不知道這是否仍遵循物理學(xué)定律，這個(gè)答案很可能是受一套我們還不太了解的物理定律所控制：量子引力定律。為了讓人類(lèi)能迅速穿越到未來(lái)，或者回到過(guò)去（如果允許的話(huà)），我們需要的技術(shù)遠遠超過(guò)我們今天的能力。

迅速穿越到未來(lái)

阿爾伯特·愛(ài)因斯坦(Albert Einstein)的相對論物理定律告訴我們，時(shí)間是“私人的”。如果我和你移動(dòng)的方式不同，或者在引力場(chǎng)中處于不同的位置，那么你經(jīng)歷的時(shí)間流速（它控制著(zhù)你隨身攜帶的一切運作良好的時(shí)鐘滴答作響的速度，并控制著(zhù)你身體的衰老）與我所經(jīng)歷的時(shí)間流速不同。（愛(ài)因斯坦用“時(shí)間是相對的”這句話(huà)來(lái)解釋?zhuān)晃腋矚g“時(shí)間是私人的”這句話(huà)。）

時(shí)間的這種私人特性允許一個(gè)人比另一個(gè)人在時(shí)間上更快地向前移動(dòng)。雙胞胎中一個(gè)人（叫他梅瑟塞拉）留在地球上的家里；另一個(gè)（叫她弗洛倫斯）高速進(jìn)入宇宙，然后返回。當他們在旅行結束見(jiàn)面時(shí)弗洛倫斯的年齡將遠遠低于梅瑟塞拉；例如，弗洛倫斯可能衰老了30歲，而梅瑟塞拉衰老了4,500歲。（年齡小的那個(gè)雙胞胎，經(jīng)歷了巨大的加速度，達到高速，再減速，轉變方向，然后加速返回，最終在地球上減速至靜止。年齡大的是在地球上過(guò)著(zhù)平靜生活的那個(gè)雙胞胎。）這種現象就是所謂的孿生子佯謬。

大質(zhì)量的黑洞是另一種快速穿越到未來(lái)的時(shí)間旅行工具：如果梅瑟塞拉待在大質(zhì)量黑洞事件視界上方的軌道上（例如，該黑洞的引力是太陽(yáng)的十億倍），并且弗洛倫斯向下旅行到事件視界附近并在其上盤(pán)旋30年后回來(lái)，那么梅瑟塞拉可以衰老數千年或者數百萬(wàn)年。這是因為時(shí)間在黑洞事件視界（引力加速度很大）附近的流速比距離黑洞很遠的地方（一個(gè)人可以平靜生活的地方）要慢得多。

這些時(shí)間旅行現象已經(jīng)在實(shí)驗室里進(jìn)行過(guò)測試?？茖W(xué)家在紐約長(cháng)島布魯克海文國家實(shí)驗室里做了一個(gè)實(shí)驗， 介子是一種壽命很短的基本粒子，他們發(fā)現它在存儲環(huán)中以0.9994倍的光速繞圈比靜止在實(shí)驗室里的介子衰變速度慢29倍。并且地球表面上的原子鐘比高于地球表面上的原子鐘慢——大約是它的100億分之4。

回到過(guò)去：時(shí)序保護

自19世紀80年代末以來(lái)，我們物理學(xué)家一直致力于了解物理定律是否允許回到過(guò)去。雖然我們現在還沒(méi)有定論，但斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在他的時(shí)序保護猜想中總結了可能的答案（見(jiàn)[1]）：似乎有一個(gè)時(shí)序保護機制，防止閉合類(lèi)時(shí)曲線(xiàn)的生成，從歷史學(xué)家手上保護了宇宙的安全。

我們物理學(xué)家已經(jīng)確定了兩種可能的時(shí)序保護機制：(1)根據物理定律，制造任何時(shí)間機器所需的奇異物質(zhì)可能被禁止存在——禁止以時(shí)間機器所需的數量大量存在。(2)當人們試圖激活時(shí)間機器時(shí)，它們總是爆炸性地自毀。

這些機制(1)和(2)是數學(xué)結果的描述性翻譯，它是由我們物理學(xué)家通過(guò)物理定律得到的，而描述這些物理定律的自然語(yǔ)言為數學(xué)。命題(1)和(2)抓住了我們計算得到的本質(zhì)，但在描述性翻譯中丟失了關(guān)鍵的細節。對于任何希望努力理解這些細節的人來(lái)說(shuō)，可以從約翰·弗里德曼（John Friedman）最近發(fā)表的優(yōu)美但硬核的綜述文章（見(jiàn)[2]）以及馬特·維瑟（Matt Visser）的一篇沒(méi)那么多技術(shù)性但比較舊且有點(diǎn)過(guò)時(shí)的文章來(lái)入手。

我將用我學(xué)生邁克·莫里斯（Mike Morris）和烏爾維·尤特塞弗（Ulvi Yurtsever）還有我在1989年用數學(xué)方式發(fā)明和探索的時(shí)間機器例子來(lái)說(shuō)明這些時(shí)序保護的機制：一種基于蟲(chóng)洞的時(shí)間機器。（這只是眾多已經(jīng)研究過(guò)的時(shí)間機器設計之一。其它的可以參閱維瑟(Visser)的綜述，[3]）

基于蟲(chóng)洞的時(shí)間機器

蟲(chóng)洞是一條穿過(guò)超時(shí)空的假想隧道，它將我們宇宙中的一個(gè)地方（例如我在加州理工學(xué)院的辦公室）連接到另一個(gè)地方（例如加州理工學(xué)院的足球場(chǎng)）。蟲(chóng)洞的每一端（每個(gè)洞口）看起來(lái)像一個(gè)水晶球。人們通過(guò)凝視蟲(chóng)洞的一端，可以看到另一端物體的扭曲圖像。比如朝在我辦公室的蟲(chóng)洞洞口里看，我看到了扭曲的足球場(chǎng)；足球場(chǎng)上的人看著(zhù)那里的洞口，就能看到扭曲的我和我的辦公室。蟲(chóng)洞（隧道）可能只有3米長(cháng)，所以如果我進(jìn)入辦公室的蟲(chóng)洞入口，然后在隧道里僅僅走了3米穿過(guò)隧道，我就會(huì )從另一個(gè)洞口出來(lái)，到達距離辦公室300米的足球場(chǎng)。

現在，假設一個(gè)來(lái)自極其先進(jìn)文明的生物在“孿生子佯謬”之旅中將足球場(chǎng)蟲(chóng)洞口帶到宇宙里。當那個(gè)洞口回來(lái)時(shí)，它可能只老化了一秒鐘，而我辦公室里的蟲(chóng)洞洞口卻老化了一天。于是蟲(chóng)洞變成了一臺時(shí)間機器：如果我進(jìn)入一個(gè)洞口，只穿過(guò)幾秒鐘，我就會(huì )在下一天從另一個(gè)洞口里出來(lái)。而從另一個(gè)方向穿越蟲(chóng)洞，我會(huì )從前一天出來(lái)?。▍⒁?jiàn) [4].）

奇異物質(zhì)和真空波動(dòng)

我們不知道物理定律是否允許蟲(chóng)洞的存在。然而，我們確實(shí)知道，蟲(chóng)洞會(huì )迅速內爆，以至于沒(méi)有任何東西可以穿過(guò)它，除非它被引力排斥而保持打開(kāi)，這種力只能由奇異物質(zhì)產(chǎn)生。我所說(shuō)的“奇異物質(zhì)”是指具有負能量的物質(zhì)，因此有反引力，即排斥力。

物理的量子理論的確允許奇異物質(zhì)的存在，它是在實(shí)驗室中以非常微小的數量產(chǎn)生的：在兩個(gè)導電板之間的所謂卡西米爾真空中，以及在光物理學(xué)家使用非線(xiàn)性晶體產(chǎn)生的所謂壓縮真空中。

卡西米爾真空：當兩個(gè)導電板放置得很近時(shí)，平行于板的真空波動(dòng)電場(chǎng)受到強烈抑制，而垂直于板的真空波動(dòng)電場(chǎng)幾乎沒(méi)有受到影響。其中抑制作用使得板之間的波動(dòng)能量比無(wú)板情況下的波動(dòng)能量更低，因此板之間的真空 （卡西米爾真空）獲得負引力能。它為板內的電場(chǎng)提供了一些波動(dòng)能量。導電板的引入催化了這種效應。

這種負能量的關(guān)鍵在于，真空空間（真空）充滿(mǎn)了宇宙中存在的各種物質(zhì)和場(chǎng)的微小波動(dòng)。讓這些波動(dòng)消失是不可能的。它們是量子力學(xué)不確定性原理的結果：如果在某一時(shí)刻完全沒(méi)有波動(dòng)（例如） 電磁場(chǎng)，那么波動(dòng)的變化率一定是無(wú)限大的，并且片刻之后的波動(dòng)將是巨大的。波動(dòng)強度及其變化率大小的乘積總是大于由不確定性原理給出的確定極限。因此，波動(dòng)始終存在。我們稱(chēng)它們?yōu)?/span>真空漲落，因為它們是真空的屬性，即真空的空間。

卡西米爾真空打開(kāi)的蟲(chóng)洞：兩個(gè)間隔很小的同心球形導電板放置在蟲(chóng)洞的喉嚨處。（這里被抑制了一個(gè)維度，所以我們的宇宙是一個(gè)二維的薄片，導電板看起來(lái)像圓形而不是球體。）如果導電板的能量（包括它們的質(zhì)量的能量E=mc2） 足夠小，則由導電板之間的卡西米爾真空所引起的排斥引力可以使維持蟲(chóng)洞打開(kāi)的狀態(tài)。

量子物理定律表明，真空漲落不產(chǎn)生引力——或者只可能產(chǎn)生極小的引力：加速宇宙膨脹的引力。換句話(huà)說(shuō)，真空漲落可能是所謂宇宙學(xué)暗能量的原因。但是這種暗能量是如此之?。?0?121的數量級），以至于與我對時(shí)間機器的討論無(wú)關(guān)；所以我可以說(shuō)量子漲落根本不產(chǎn)生引力。

或者，更確切地說(shuō)，它們在正常情況下不會(huì )產(chǎn)生引力。事實(shí)上，人們可以想辦法使一個(gè)空白區域將其真空漲落借一些給相鄰區域。（這就是實(shí)驗物理學(xué)家對卡西米爾真空和壓縮真空所做的事。）當這種情況發(fā)生時(shí)，被借走能量的區域將留下負的引力能量，而借能量的區域將獲得正引力能量。量子定律嚴格限制了可借波動(dòng)能量的量。借能量區域的規模越大，它可以借的能量就越少，因此它能產(chǎn)生的負能量就越少。在卡西米爾真空、壓縮真空和所有其他奇異物質(zhì)變體中都是如此。以上都是由物理定律所決定的。

這些對負引力能量的限制，可能?chē)乐氐阶阋宰柚谷藗兎e累足夠多的負引力能量來(lái)防止蟲(chóng)洞內爆（見(jiàn)[5]）。原因是，借能量的區域和催化借能量的裝置可能總是具有很多的正能量，以至于它們的吸引力抵消了負能量的排斥引力，并觸發(fā)所有蟲(chóng)洞內爆。如果是這樣的話(huà)，那么基于蟲(chóng)洞的時(shí)間機器是不可實(shí)現的：在蟲(chóng)洞內爆之前，人們永遠無(wú)法穿越蟲(chóng)洞。（約翰·弗里德曼及其同事稱(chēng)之為拓撲宇宙監督原理，見(jiàn)[2]。）

我個(gè)人的猜測是，這些對奇異物質(zhì)的限制并不能阻止蟲(chóng)洞被打開(kāi)，因此并不能保護時(shí)序，但我可能是錯的。為了了解真相，我們物理學(xué)家必須比現在更深入地理解扭曲時(shí)空中的量子理論——即對量子理論和廣義相對論相結合的理論，也就是量子引力理論，有更深入的理解。

時(shí)間機器自毀

如果最終顯示蟲(chóng)洞可以維持開(kāi)放狀態(tài)，那么這樣仍不足以使得超先進(jìn)的文明能通過(guò)利用孿生子佯謬而將蟲(chóng)洞轉化為時(shí)間機器（將蟲(chóng)洞的一個(gè)洞口高速帶入宇宙然后返回）。因為還有第二個(gè)障礙必須克服——時(shí)間機器的自我毀滅：

當被帶出的洞口回到地球時(shí)，蟲(chóng)洞可以首次實(shí)現回到過(guò)去的功能。一個(gè)實(shí)體進(jìn)入一個(gè)洞口，在它進(jìn)入之前它就從另一個(gè)洞口退出，然后以盡可能高的速度，也就是光速，飛躍宇宙回到它的起點(diǎn)，在它開(kāi)始旅行的那一刻就回到了第一個(gè)洞口，這是時(shí)間倒流能做到的第一件事，在離開(kāi)前就碰到了自己。即使沒(méi)有光或其他光速放射線(xiàn)在這條往返時(shí)間旅行路線(xiàn)上傳播，真空漲落也總是會(huì )這樣做。它們是不可阻擋的。在它們離開(kāi)的那一刻回到起點(diǎn)時(shí)，真空漲落會(huì )堆積在它們年輕的自己身上。結果是復制每個(gè)波動(dòng)，然后再來(lái)回另一次，每個(gè)波動(dòng)就變成了原來(lái)的四倍，依此類(lèi)推。根據我在1990年與博士后金成元(Sung-Won Kim)所做的計算，底線(xiàn)是恰好在時(shí)間旅行首次可能的時(shí)刻——即在時(shí)間機器激活的那一刻，在蟲(chóng)洞中的引力波動(dòng)能量的一個(gè)爆炸性流 [4]。

這種爆炸性的波動(dòng)能量會(huì )摧毀蟲(chóng)洞，進(jìn)而摧毀時(shí)間機器嗎？起初，我和金以為蟲(chóng)洞可以幸存。然而，斯蒂芬·霍金在他1991年關(guān)于時(shí)序保護的開(kāi)創(chuàng )性研究論文中給出了相反的有力論據?；艚鹫J為，爆炸很可能在時(shí)間機器首次激活時(shí)摧毀它——不僅僅是這個(gè)時(shí)間機器，而是即使是最先進(jìn)的文明可能構思和建造的任何時(shí)間機器都會(huì )被摧毀。在接下來(lái)的幾年里，許多其他物理學(xué)家也參與進(jìn)來(lái)，分析了其他時(shí)間機器的設計，看起來(lái)霍金可能錯了：一個(gè)足夠聰明的設計可能會(huì )保護時(shí)間機器免于自我毀滅。在1996年，伯納德·凱(Bernard Kay)，馬雷克·拉齊科夫斯基(Marek Radzikowski)和羅伯特·沃爾德(Robert Wald)給出了一個(gè)強有力的數學(xué)證明，即我們所用來(lái)分析時(shí)間機器自毀的量子物理定律的版本無(wú)法揭示爆炸的結果。這個(gè)結果服從我們還沒(méi)有完全理解的量子引力定律。

任何時(shí)間機器的命運？

我和霍金關(guān)于物理學(xué)中未解之謎的打賭歷史可以追溯很久。但我們在這個(gè)問(wèn)題上并沒(méi)有打賭，因為這次我們站在同一邊。當我們物理學(xué)家掌握了量子引力定律時(shí)（霍金和我都同意），我們很可能會(huì )發(fā)現時(shí)序是受到保護的：當任何時(shí)間機器第一次被激活時(shí)，爆炸總是會(huì )摧毀它。

在2000年6月，我60歲生日之際，霍金用他自己的量子引力定律的暫定版本，向我展示了對爆炸結果的初步分析。他的結論是：如果我試圖利用一個(gè)非常先進(jìn)文明的蟲(chóng)洞來(lái)回到過(guò)去，那么我成功的量子力學(xué)概率是分之一；詳見(jiàn)我生日派對書(shū)中霍金的文章，[6]。這說(shuō)明在爆炸中幸存下來(lái)的概率非常非常小。哪怕有機會(huì )我也不會(huì )嘗試。

其他時(shí)間機器

令人驚奇的是，當我們能很好地理解物理定律時(shí)，我們可以從中學(xué)點(diǎn)東西。一個(gè)著(zhù)名的例子是物理定律堅信，即使擁有極其先進(jìn)文明的所有工具，也不可能制造出永動(dòng)機。另一個(gè)例子是霍金關(guān)于制造時(shí)間機器的證明，無(wú)論怎樣，人們必須使用奇異物質(zhì)——負能量物質(zhì)——作為機器的組成部分；蟲(chóng)洞證明了這一點(diǎn)，但總的來(lái)說(shuō)確實(shí)如此。第三個(gè)例子是凱，拉齊科夫斯基和沃爾德的證明，無(wú)論人們如何設計這個(gè)時(shí)間機器，我們現在所知道的物理定律，會(huì )讓它在被激活時(shí)使其崩潰。再次重申，蟲(chóng)洞只是其中一個(gè)例子?；艚鸬睦碚?，以及凱、拉齊科夫斯基和沃爾德的理論告訴我們，所有時(shí)間機器的命運都緊緊地掌握在量子引力定律的手中。

在過(guò)去的二十年里，我們在尋求理解量子引力方面取得了巨大的進(jìn)展。我相信，在未來(lái)二十年左右的時(shí)間里，成功將會(huì )到來(lái)——它不僅會(huì )帶來(lái)對回到過(guò)去的時(shí)間旅行是否可行的清晰理解，而且還會(huì )帶來(lái)對許多包括我們的宇宙是如何誕生等的其他奧秘的理解。

參考資料：

[1] Stephen W. Hawking, The Chronology Protection Conjecture, Physical Review D, 46, 603 (1992).

[2] John Friedman and Atsushi Higuchi, Topological Censorship and Chronology Protection, Annalen Phys. 15:109-128,2006; also available on the web.

[3] Matt Visser, The Quantum Physics of Chronology Protection, in The Future of Theoretical Physics and Cosmology: Celebrating Stephen Hawking's 60th Birthday, edited by G.W. Gibbons, S.J. Rankin and E.P.S. Shellard (Cambridge University Press, Cambridge, England, 2003); also available on the web.

[4] Kip Thorne, Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy, Norton, 1994: Chapter 14.

[5] Lawrence H. Ford and Thomas A. Roman, Negative Energy, Wormholes and Warp Drive, Scientific American, January 2000. For the past twenty years, Ford and Roman have been the leading researchers on deducing what the laws of physics say about how much negative energy one can accumulate by lending.

[6] S.W. Hawking, Chronology Protection: Making the World Safe for Historians, in The Future of Spacetime, volume authored by S.W. Hawking, K.S. Thorne, I. Novikov, T. Ferris, A. Lightman and R. Price (W.W. Norton, New York, 2002); see also Chap. 5 of S.W. Hawking, The Universe in a Nutshell (Bantam, New York, 2001).

[7] Section 1.8 and Exercise 1.16 of a textbook that Roger Blandford and I expect to publish next year; an advance copy is available on the web.