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。而回到過去又是另一回事；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。為了讓人類能迅速穿越到未來，或者回到過去（如果允許的話），我們需要的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們今天的能力。

迅速穿越到未來

阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)的相對(duì)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（它控制著你隨身攜帶的一切運(yùn)作良好的時(shí)鐘滴答作響的速度，并控制著你身體的衰老）與我所經(jīng)歷的時(shí)間流速不同。（愛因斯坦用“時(shí)間是相對(duì)的”這句話來解釋；我更喜歡“時(shí)間是私人的”這句話。）

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(dāng)他們?cè)诼眯薪Y(jié)束見面時(shí)弗洛倫斯的年齡將遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)到高速，再減速，轉(zhuǎn)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著平靜生活的那個(gè)雙胞胎。）這種現(xiàn)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旋30年后回來，那么梅瑟塞拉可以衰老數(shù)千年或者數(shù)百萬年。這是因?yàn)闀r(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(yuǎn)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(xiàn)象已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行過測(cè)試?？茖W(xué)家在紐約長(zhǎng)島布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室里做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，?介子是一種壽命很短的基本粒子，他們發(fā)現(xiàn)它在存儲(chǔ)環(huán)中以0.9994倍的光速繞圈比靜止在實(shí)驗(yàn)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。

回到過去：時(shí)序保護(hù)

自19世紀(jì)80年代末以來，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去。雖然我們現(xiàn)在還沒有定論，但斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在他的時(shí)序保護(hù)猜想中總結(jié)了可能的答案（見[1]）：似乎有一個(gè)時(shí)序保護(hù)機(jī)制，防止閉合類時(shí)曲線的生成，從歷史學(xué)家手上保護(hù)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(hù)機(jī)制：(1)根據(jù)物理定律，制造任何時(shí)間機(jī)器所需的奇異物質(zhì)可能被禁止存在——禁止以時(shí)間機(jī)器所需的數(shù)量大量存在。(2)當(dāng)人們?cè)噲D激活時(shí)間機(jī)器時(shí)，它們總是爆炸性地自毀。

這些機(jī)制(1)和(2)是數(shù)學(xué)結(jié)果的描述性翻譯，它是由我們物理學(xué)家通過物理定律得到的，而描述這些物理定律的自然語言為數(shù)學(xué)。命題(1)和(2)抓住了我們計(jì)算得到的本質(zhì)，但在描述性翻譯中丟失了關(guān)鍵的細(xì)節(jié)。對(duì)于任何希望努力理解這些細(xì)節(jié)的人來說，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[2]）以及馬特·維瑟（Matt Visser）的一篇沒那么多技術(shù)性但比較舊且有點(diǎn)過時(shí)的文章來入手。

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(shù)學(xué)方式發(fā)明和探索的時(shí)間機(jī)器例子來說明這些時(shí)序保護(hù)的機(jī)制：一種基于蟲洞的時(shí)間機(jī)器。（這只是眾多已經(jīng)研究過的時(shí)間機(jī)器設(shè)計(jì)之一。其它的可以參閱維瑟(Visser)的綜述，[3]）

我爬過一個(gè)蟲洞，蟲洞的長(zhǎng)度只有幾厘米，但周長(zhǎng)大約是我肚子的周長(zhǎng)。（在我的書《黑洞與時(shí)間彎曲》[4]中,你可以找到關(guān)于這個(gè)時(shí)間機(jī)器的更詳細(xì)的描述。）

基于蟲洞的時(shí)間機(jī)器

蟲洞是一條穿過超時(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)）。蟲洞的每一端（每個(gè)洞口）看起來像一個(gè)水晶球。人們通過凝視蟲洞的一端，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)上的人看著那里的洞口，就能看到扭曲的我和我的辦公室。蟲洞（隧道）可能只有3米長(zhǎng)，所以如果我進(jìn)入辦公室的蟲洞入口，然后在隧道里僅僅走了3米穿過隧道，我就會(huì)從另一個(gè)洞口出來，到達(dá)距離辦公室300米的足球場(chǎng)。

從高維超空間觀察的蟲洞。我們的宇宙是二維的薄片。蟲洞是從我們薄片中的一個(gè)位置（我們的宇宙）到薄片中另一個(gè)位置的超時(shí)空捷徑。

現(xiàn)在，假設(shè)一個(gè)來自極其先進(jìn)文明的生物在“孿生子佯謬”之旅中將足球場(chǎng)蟲洞口帶到宇宙里。當(dāng)那個(gè)洞口回來時(shí)，它可能只老化了一秒鐘，而我辦公室里的蟲洞洞口卻老化了一天。于是蟲洞變成了一臺(tái)時(shí)間機(jī)器：如果我進(jìn)入一個(gè)洞口，只穿過幾秒鐘，我就會(huì)在下一天從另一個(gè)洞口里出來。而從另一個(gè)方向穿越蟲洞，我會(huì)從前一天出來?。▍⒁?[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洞的存在。然而，我們確實(shí)知道，蟲洞會(huì)迅速內(nèi)爆，以至于沒有任何東西可以穿過它，除非它被引力排斥而保持打開，這種力只能由奇異物質(zhì)產(chǎn)生。我所說的“奇異物質(zhì)”是指具有負(fù)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(yàn)室中以非常微小的數(shù)量產(chǎn)生的：在兩個(gè)導(dǎo)電板之間的所謂卡西米爾真空中，以及在光物理學(xué)家使用非線性晶體產(chǎn)生的所謂壓縮真空中。

卡西米爾真空：當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)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(qiáng)烈抑制，而垂直于板的真空波動(dòng)電場(chǎng)幾乎沒有受到影響。其中抑制作用使得板之間的波動(dòng)能量比無板情況下的波動(dòng)能量更低，因此板之間的真空 （卡西米爾真空）獲得負(fù)引力能。它為板內(nèi)的電場(chǎng)提供了一些波動(dòng)能量。導(dǎo)電板的引入催化了這種效應(yīng)。

這種負(fù)能量的關(guān)鍵在于，真空空間（真空）充滿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(jié)果：如果在某一時(shí)刻完全沒有波動(dòng)（例如） 電磁場(chǎng)，那么波動(dòng)的變化率一定是無限大的，并且片刻之后的波動(dòng)將是巨大的。波動(dòng)強(qiáng)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。我們稱它們?yōu)?strong>真空漲落，因?yàn)樗鼈兪钦婵盏膶傩?，即真空的空間。

卡西米爾真空打開的蟲洞：兩個(gè)間隔很小的同心球形導(dǎo)電板放置在蟲洞的喉嚨處。（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(dǎo)電板看起來像圓形而不是球體。）如果導(dǎo)電板的能量（包括它們的質(zhì)量的能量E=mc2） 足夠小，則由導(dǎo)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洞打開的狀態(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。換句話說，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(shù)量級(jí)），以至于與我對(duì)時(shí)間機(jī)器的討論無關(guān)；所以我可以說量子漲落根本不產(chǎn)生引力。

或者，更確切地說，它們?cè)?strong>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(qū)域?qū)⑵湔婵諠q落借一些給相鄰區(qū)域。（這就是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家對(duì)卡西米爾真空和壓縮真空所做的事。）當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，被借走能量的區(qū)域?qū)⒘粝仑?fù)的引力能量，而借能量的區(qū)域?qū)@得正引力能量。量子定律嚴(yán)格限制了可借波動(dòng)能量的量。借能量區(qū)域的規(guī)模越大，它可以借的能量就越少，因此它能產(chǎn)生的負(fù)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(duì)負(fù)引力能量的限制，可能嚴(yán)重到足以阻止人們積累足夠多的負(fù)引力能量來防止蟲洞內(nèi)爆（見[5]）。原因是，借能量的區(qū)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(fù)能量的排斥引力，并觸發(fā)所有蟲洞內(nèi)爆。如果是這樣的話，那么基于蟲洞的時(shí)間機(jī)器是不可實(shí)現(xiàn)的：在蟲洞內(nèi)爆之前，人們永遠(yuǎn)無法穿越蟲洞。（約翰·弗里德曼及其同事稱之為拓?fù)溆钪姹O(jiān)督原理，見[2]。）

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

時(shí)間機(jī)器自毀

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

時(shí)間機(jī)器自毀：當(dāng)右邊的蟲洞在其孿生子佯謬之旅結(jié)束時(shí)飛回左邊，真空漲落就流過蟲洞，然后通過蟲洞之間的空間流出，在它們離開的同時(shí)回到了它們的出發(fā)點(diǎn)。它們的引力能量變得非常大，也許在蟲洞變成時(shí)間機(jī)器的那一刻就摧毀了它。（圖改編自我的書《黑洞與時(shí)間扭曲》，[4].

當(dāng)被帶出的洞口回到地球時(shí)，蟲洞可以首次實(shí)現(xiàn)回到過去的功能。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，在離開前就碰到了自己。即使沒有光或其他光速放射線在這條往返時(shí)間旅行路線上傳播，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(jié)果是復(fù)制每個(gè)波動(dòng)，然后再來回另一次，每個(gè)波動(dòng)就變成了原來的四倍，依此類推。根據(jù)我在1990年與博士后金成元(Sung-Won Kim)所做的計(jì)算，底線是恰好在時(shí)間旅行首次可能的時(shí)刻——即在時(shí)間機(jī)器激活的那一刻，在蟲洞中的引力波動(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)摧毀蟲洞，進(jìn)而摧毀時(shí)間機(jī)器嗎？起初，我和金以為蟲洞可以幸存。然而，斯蒂芬·霍金在他1991年關(guān)于時(shí)序保護(hù)的開創(chuàng)性研究論文中給出了相反的有力論據(jù)。霍金認(rèn)為，爆炸很可能在時(shí)間機(jī)器首次激活時(shí)摧毀它——不僅僅是這個(gè)時(shí)間機(jī)器，而是即使是最先進(jìn)的文明可能構(gòu)思和建造的任何時(shí)間機(jī)器都會(huì)被摧毀。在接下來的幾年里，許多其他物理學(xué)家也參與進(jìn)來，分析了其他時(shí)間機(jī)器的設(shè)計(jì)，看起來霍金可能錯(cuò)了：一個(gè)足夠聰明的設(shè)計(jì)可能會(huì)保護(hù)時(shí)間機(jī)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(qiáng)有力的數(shù)學(xué)證明，即我們所用來分析時(shí)間機(jī)器自毀的量子物理定律的版本無法揭示爆炸的結(jié)果。這個(gè)結(jié)果服從我們還沒有完全理解的量子引力定律。

任何時(shí)間機(jī)器的命運(yùn)？

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?cè)谶@個(gè)問題上并沒有打賭，因?yàn)檫@次我們站在同一邊。當(dāng)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(xiàn)時(shí)序是受到保護(hù)的：當(dāng)任何時(shí)間機(jī)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(duì)爆炸結(jié)果的初步分析。他的結(jié)論是：如果我試圖利用一個(gè)非常先進(jìn)文明的蟲洞來回到過去，那么我成功的量子力學(xué)概率是分之一；詳見我生日派對(duì)書中霍金的文章，[6]。這說明在爆炸中幸存下來的概率非常非常小。哪怕有機(jī)會(huì)我也不會(huì)嘗試。

其他時(shí)間機(jī)器

令人驚奇的是，當(dāng)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)著名的例子是物理定律堅(jiān)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(jī)。另一個(gè)例子是霍金關(guān)于制造時(shí)間機(jī)器的證明，無論怎樣，人們必須使用奇異物質(zhì)——負(fù)能量物質(zhì)——作為機(jī)器的組成部分；蟲洞證明了這一點(diǎn)，但總的來說確實(shí)如此。第三個(gè)例子是凱，拉齊科夫斯基和沃爾德的證明，無論人們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)這個(gè)時(shí)間機(jī)器，我們現(xiàn)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，蟲洞只是其中一個(gè)例子?；艚鸬睦碚摚约皠P、拉齊科夫斯基和沃爾德的理論告訴我們，所有時(shí)間機(jī)器的命運(yùn)都緊緊地掌握在量子引力定律的手中。

在過去的二十年里，我們?cè)趯で罄斫饬孔右Ψ矫嫒〉昧司薮蟮倪M(jìn)展。我相信，在未來二十年左右的時(shí)間里，成功將會(huì)到來——它不僅會(huì)帶來對(duì)回到過去的時(shí)間旅行是否可行的清晰理解，而且還會(huì)帶來對(duì)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.