星际穿越:时间旅行的真实和悖论

美国电影《星际穿越》剧照。库珀、布兰德和曼恩等孤独地行走在曼恩所在的星球上美国电影《星际穿越》剧照。库珀、布兰德和曼恩等孤独地行走在曼恩所在的星球上
电影《星际穿越》剧照电影《星际穿越》剧照
《星际穿越》剧照。主飞船旋转,产生的离心力能让住在里面的人感受到重力效应《星际穿越》剧照。主飞船旋转,产生的离心力能让住在里面的人感受到重力效应

  作者:曹玲 来源:三联生活周刊

  《星际穿越》整个故事的因果链是一个莫比乌斯环。五维空间的人为什么能提供信息拯救地球上的人类?因为墨菲解救了现在的人类,让他们得以发展出高维度中的文明。墨菲为什么能解救现在的人类?是因为库珀给她传递了信息。库珀为什么能传递信息?是因为五维空间的人类给他提供了信息。

  时间旅行作品有一个重要的种类,就是打破了三维世界中常规的因果律,进入时间循环这个怪圈。因果循环意味着在一个事件链中,所有单个事件都有其原因但是整个链条没有。这意味着该事件链是封闭的,或者说在一个因果循环中,可以用同一事件链中其他的事件来解释每一个事件,但是却没法解释这整个事件链的原因。何为因,何为果,这就像古老的“先有鸡还是先有蛋”问题一样令人挠头,解决的办法似乎只有接受“并非每个事情都有独立的起因”这种事实。

  时间循环在物理学上还真有人认真进行研究过。上世纪80年代,俄罗斯理论物理学家伊戈尔·诺维科夫(Igor Novikov)在对时间旅行的可能性认真研究后指出,人可以回到过去,但不能因此改变历史,人将被迫以一种方式行事而不让悖论发生。换个角度说,我们的世界是已经被改变过的最终结局,这被称为“诺维科夫自洽性原则”,后来成为大量时间循环作品的理论基础。如果时间河流本身光滑地向回弯曲产生一个漩涡,他认为有某种“看不见的手”会阻止我们跳回到过去和产生时间悖论。

  这种三维世界里无法理解的逻辑,在科幻电影和小说中经过种种演绎,让时间循环变成可能。除了《星际穿越》,这样的例子数不胜数。《终结者2》中,施瓦辛格扮演的T-800告诉人类反抗军首领约翰·康纳,人类最终研究出了“天网”超级计算机,是因为得到了前作中被击毁的机器人的芯片。《12只猴子》中囚徒詹姆斯·科尔被科学家送到过去,找寻散播死亡病毒的罪魁祸首,最终发现一切罪孽的形成与自己被送到过去的经历息息相关,而他孩童时代便撞见自己的死亡。

  到底什么是时间?我们能否穿越到未来以及回到过去?欧洲著名的哲学家圣奥古斯丁说过:“说起时间,每个人都晓得它代表什么意思,但究竟什么是时间?如果没有人问我,我一清二楚;如果要我说明,那我就不知道了。”

  事实上,就连时间概念本身也非一成不变的。对牛顿来说,时间像一支箭,一旦飞出去就绝对不会改变路径。如果地板上的碎片忽然自行聚合且从地板上跃起,组成一个完整的杯子跳回桌面上,你肯定能判断出这是录像在回放,因为日常生活中绝对遇不到这类情形。

  为什么我们看不到破碎了的杯子跳回桌面上?通常给出的解释是,热力学第二定律不允许出现这类事件。热力学第二定律告诉我们,无序程度或者说熵,总是随着时间而增大。换句话说,也就是电影中提到的墨菲定律——事物总是朝坏的方向发展。桌子上一个完好的杯子是一种有序状态,而地板上打破了的杯子则是一种无序状态。时间的单向性是物理学的基本规律,宇宙中的一切事物都是从有序状态走向无序的。宇宙不断发展,是一个不断变差的过程,从最初有秩序的状态,慢慢变得没有秩序,一片混乱。

  而爱因斯坦的理论将空间和时间连接成一个不可分割的整体。在极限情况下,时间也是可以弯曲的。在相对论里,大型物体比如行星、恒心和黑洞的引力可以导致空间弯曲,空间和时间可以通过一个叫作时空的东西联系起来。这就意味着当时空被弯曲时,时间也会被弯曲。这样时间就更像一条河,当它在宇宙间漫游时逐渐加快或者减慢。但是爱因斯坦担心时间这条河也许有倒流的可能性,大概在这条河里也有漩涡和分叉。

  爱因斯坦狭义相对论的主要预言之一是时间膨胀现象,它本质上说,运动着的始终比静止的时钟走得慢。如果速度接近光速,时间几乎就会停滞不前。这种想象适合所有的时钟,包括机械钟、数字钟和生物钟等等。这就意味着宇航员登上太空飞船,并加速到接近光速后,地球上每过一年,他只会衰老一秒,因为他的时钟变慢了。如果以他自己的时间为标准,经过一年重返地球时,地球已经过了3100多万年。时间膨胀不仅存在于理论,它已经被实验观测所证实了。

  利用时间膨胀前往未来的问题是,没人知道怎么让你自己回去。回到过去是一个难得多的问题,目前还没有人能解决,很多科学家也不相信能够存在,但是物理学家已经提出了一些理论。

  时间旅行的物理学基础

  1935年,爱因斯坦和学生内森·罗森(Nathan Rosen)把虫洞理论引入物理世界,发现在黑洞的中心有一个“喉咙”,将时间-空间连接到另一个宇宙,这种连接两个宇宙的桥梁被称为“爱因斯坦-罗森桥”,也就是后来所称的虫洞。起初并没有“虫洞”这个术语,直到后来美国科学家约翰·惠勒把它比喻成苹果上虫咬出的洞。通过虫洞从苹果的一边到另一边,比绕过苹果表面近多了。穿过不旋转的黑洞将是毁灭性的,但是旋转的黑洞有一个环状的奇异性,这样就有可能通过“爱因斯坦-罗森桥”穿过这个环。这样一来,爱因斯坦的理论就提供了时间旅行的可能性。

  1937年,荷兰数学家威廉·范斯托克姆(Willem Jacob van Stockum)发现了爱因斯坦方程的一个解,指出有一个快速旋转而又无限长的柱体重力场。这样一个场将会违反因果律,它允许出现连接两个时空的“闭合类时曲线”。

  何谓“闭合类时曲线”?爱因斯坦的广义相对论已表明,时空会受到类似行星等巨大运动物质的重力拖曳而改变方向。由此可见,时间的方向也会因运动物质的拖曳而改变,变得弯曲,弯曲到一定程度,便可首尾相接,形成闭合曲线。如果这样的闭合曲线存在,人们乘坐飞船沿着这种曲线进行正向时间旅行时,不仅可以访问未来,还可返回过去。

  范斯托克姆从一个无限的旋转的圆柱体开始,尽管构造一个无限的物体实际上是不可能的,计算出如果这个圆柱体以接近光速旋转,就会带动时空结构和它一起转动,很像搅拌机的叶片带动蜜糖旋转一样。

  任何勇敢地围绕圆柱体旅行的人都会被带动,得到巨大的速度。事实上,从远处的观察者看,这个人的速度好像超过了光速。尽管范斯托克姆本人那时候没有认识到,围绕圆柱体旅行一圈实际上是时间上倒退到你出发的时间之前。如果你是中午出发的,那么,你回到出发点的时间可能是昨天下午18点。圆柱体旋转得越快,在时间上就倒退得越多,唯一的限制是时间不能倒退到制造圆柱体之前。每次你围绕柱子跑一圈,时间就倒退得越多。事实上,不存在无限长的圆柱体,所以可以排除这个解。另一个角度说,如果这样的圆柱体能够被制造出来,由于它以接近光速旋转,圆柱体的离心力非常大,构成圆柱体的材料将飞散。

  时间旅行的复苏

  到了1985年,美国天文学家卡尔·萨根(Carl Sagan)写了一部名为《接触》(Contact)的小说,其中涉及人类通过黑洞与外星球文明进行超时空接触,他对书中涉及的物理原理是否正确没有把握,于是就请好友基普·索恩(Kip Thorne)帮忙看看。索恩是研究相对论的专家,他被小说情节所吸引,不过他认为,利用黑洞进行时间旅行是不合理的,建议萨根把黑洞改为虫洞。

  卡尔·萨根愉快地接受了索恩的建议,在地球和26光年外的织女星附近设置了两个洞口,让女主人公阿洛维博士通过虫洞在地球和织女星之间往返,大大缩短了旅行时间。从此,虫洞频频出现在科幻作品中。

  正因为萨根的请教,索恩开始正式把虫洞作为研究对象,他要解决虫洞在什么情况下能够打开,也就是说,虫洞怎样才可以作为时间旅行的工具。

  1988年,索恩把与学生莫里斯合写的论文《虫洞、时间机器和弱能量条件》投稿到《物理评论通讯》上,虽然题目里有“时间机器”,但最后还是被发表了。论文说从理论上证明有可能存在着“可以被穿行的虫洞”;打开虫洞需要有一种“具有负能量的奇异物”;同时还论证了借助这种虫洞实现回到过去的时间旅行的可能性。这种具有负能量的东西实在太奇怪了,连物理学家都把它叫作“奇异物”。实验室中目前已经制造出了极少量的奇异物。

  索恩在《黑洞与时间弯曲》一书中写道:“临近文章发表时,我又惴惴不安起来。为了消除疑虑,实际上是为了让别人相信,我们的时间机器研究没有一点儿哗众取宠的意思,我问了加州理工学院公关部的同事。在许多物理学家看来,在大众中故弄玄虚也许是疯狂的行为,而我希望物理学同行们能认真研究我们的论文。”

  论文在物理学家中激发了兴趣,苏联科学家诺维科夫着迷了。当时他正在美国访问,他打来电话说:“我太高兴了,基普!你冲破了阻碍。你能发表时间机器的研究,我也能!”接着,他立刻开始行动了。后来提出上文说的“诺维科夫自洽性原则”。

  除此之外,普林斯顿大学的理查德·高特(Richard Gott),以及斯蒂芬·霍金都参与进来,时间旅行再也不只是幻想,它引发了物理学界对时空旅行新的关注。其中,维持虫洞持续开放的奇异物质的相关研究甚至成为该领域内一个重要课题。而在此之前,科学家们在参与时空旅行的相关讨论时,通常都用“类时闭合曲线”这样晦涩的词语来代替时间机器,让人不至于感到他们在胡说八道。

  关于虫洞存在诸多疑问,虫洞有多大?能存在多久?到哪里去找虫洞?在名为《霍金宇宙大探索》的纪录片中这样解释:任何物质都不是平整无暇和实心的,如果仔细观察,会发现它们上面都存在小孔和裂缝,这是一个基本的物理原理,同样适用于时间。即便是像台球一样的东西,上面也有裂缝、褶皱或空洞。时间也存在许多微小的裂缝、褶皱和空洞。在最小的尺度下——比分子甚至原子都小,我们来到一个称为量子泡沫的地方,这是虫洞之所在。

  时空中的微小隧道或捷径不停地在这个量子世界中形成、消失和重新形成,它们可以连接两个隔离的空间以及两个不同的时间。不幸的是,现实生活中这种时光隧道非常狭小,即使发现了它们,我们也不能从这个缝隙穿过。

  这又回到了一个古老的问题——芝诺悖论。古希腊数学家芝诺提出:“一个人想要从A点走到B点是永远不可能的。”他要先走完路程的1/2,再走完剩下总路程的1/2,再走完剩下的1/2……如此循环下去,永远不能到终点。

  提出黑洞概念的普林斯顿大学物理学家约翰·惠勒想找到这个最小的距离,最后发现距离小得难以置信,量级为普朗克长度10-33厘米。量子理论认为,普朗克长度是目前物理学所能描述的最小尺度。

  这么小的虫洞令人沮丧,但因为虫洞是在泡沫中自然发现的,索恩假定:一个高级文明有一天可以捕捉到一个虫洞,将它放大数万亿倍,令其足够大并且稳定,能让人甚至飞船进入。尽管非常困难,但它符合物理学定律。

  如果我们拥有足够的能量和先进技术,将来或许甚至能在太空中建造一个巨型虫洞。从理论上讲,虫洞或时光隧道不仅能把我们带到别的星球,如果两端在同一个地方,且由时间而非距离分离,在遥远的过去,飞船就能在地球附近自由出入。或许恐龙会看到飞船登陆的场景。

  除了大小之外,虫洞的转瞬即逝和不稳定也是一个棘手问题。斯蒂芬· 霍金认为,如果你想走进虫洞,它就会收缩。这是对时间旅行的致命打击,即产生的量子辐射效应会变得无限大,产生一个奇异物,杀死时间旅行者并关闭虫洞。

  霍金反对时间旅行,理由是如果穿越时间的旅行像星期天的野餐那么普遍,我们应当能发现很多从未来而来的旅行者。为此,他甚至举办了一个派对来证明这一点。

  2009年6月28日,霍金举办了一次“时间旅行者聚会”,他在宴会举办前没有向任何人发出邀请。宴会结束后,他才发出请帖,邀请有“穿越”能力的人士赴宴。请帖上写着:“诚挚邀请你参加时间旅行者的宴会。宴会由斯蒂芬·霍金教授举办。”请帖上不但写明宴会的举办地点为英国剑桥大学冈维尔与凯斯学院,还贴心地标明了经纬度。霍金认为,如果有“来自未来”的人能看到这份请帖并能“穿越”回过去,那么他在那次宴会上就会见到货真价实的“时间旅行者”。

  但之后霍金在接受采访时说:“我等了很长时间,没人出席聚会。”霍金还公开了在这次聚会上录制的视频。视频中,他一个人坐在房间里,旁边摆着烤面包和香槟酒,殷切希望门被打开或神秘“未来人”突然出现,但最终却没有任何人现身。霍金称,通过这次实验,已经能够证明时空旅行根本不可能发生。

  打开和维持虫洞需要的奇异物实在太奇怪了,所以被物理学家称为奇异物。奇异物内部有负压强,如果尝试用这种物质吹气球,气球反而会变小。和这种负压强相关联的能量会产生一种负的,或者说排斥的引力,正是这种力维持着虫洞隧道口的开放。奇异物并不能从日常环境中找到,但是科学家已经从卡西米尔效应中观测到了微量奇异物。所谓“卡西米尔效应”就是在真空中两片平行的平坦金属板之间存在吸引压力,这一效应会在真空中相距仅几十亿分之一的两片金属板之间产生一种将它们拉向一起的力,这种力就来源于两片金属板之间产生的奇异物质的负压力。

  卡西米尔效应之所以能发生,是因为真空世界实际上并不是什么都没有。有一些叫作虚粒子的东西在不停地冒泡,这是一种亚原子粒子,行为符合量子理论中的不确定原理,时而出现时而消失,只能存在很短时间。量子力学另外一个叫作波粒二象性的观点认为,这些粒子也可能是波。在金属板之间,这些波有点像振动着的吉他弦,只有当弦的长度是半波长的整数倍时,振动才会发生。

  在卡西米尔效应中,因为两块平行板靠得很近,所以这些虚拟粒子不容易在两块板之间出现,在两块板外围的虚拟粒子比两块板之间的虚拟粒子要多,这就产生从外向内的作用力,将两块平行板轻推在一起。卡西米尔效应以荷兰科学家亨德里克·卡西米尔的名字命名,他于1948年首次预言了这种现象。1996年史蒂文·拉莫尔奥克斯(Steven Lamoreaux)在美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室精确测量了这个效应,他测量出的吸引力很小,大约等于蚂蚁重量的三万分之一,而且板间距越小,吸引力越大。

  以上的理论也存在一个问题:维持虫洞所需的负能量不仅数量巨大,并与其半径有着正比关系。据估算,为了维持一个半径为1公里的虫洞所需要的负能量物质的数量,相当于整个太阳系的质量。

  为此,美籍日裔物理学家加来道雄在《平行宇宙》一书中写道:“尽管索恩的解决方案在它公布时使人非常感动,但是实际制造它,即便是高级文明也非常困难。因为这种类型的虫洞依靠大量负能量使得虫洞的嘴保持张开,所以首先必须得到大量非常稀少的负能量。因为通过卡西米尔效应创造的负能量非常微弱,所以虫洞的尺寸不得不比一个原子的尺寸小很多,这就使得穿过虫洞的旅行不现实。”

  1949年,库尔特·哥德尔(Kurt Godel)发现了一个更奇怪的爱因斯坦方程的解。哥德尔是20世纪最伟大的数学家之一,是自亚里士多德以来最重要的逻辑学家。当时哥德尔和爱因斯坦是好朋友,两人有相似的文化背景,都对哲学有强烈兴趣,可以用德语交谈。爱因斯坦上了年纪以后力不从心,不再热衷于解决老问题、提出新问题了。他喜欢告诉人们,他去办公室上班,“只是为了获得能和库尔特·哥德尔一起步行回家的荣幸”。

  哥德尔假定整个宇宙是旋转的,像范斯托克姆的圆柱体一样,你被时间-空间像蜜糖一样的黏性所带动。乘坐火箭船围绕哥德尔宇宙旅行,你将回到起点,但时间却倒退了。

  在哥德尔宇宙中,一个人原则上可以在宇宙中空间和时间任意两点间旅行。他能看到任何时期发生的每一个事件,不管是在过去多么久远的时候发生的。因为重力的影响,哥德尔认为宇宙本身有收缩的倾向。因此,旋转的离心力必须平衡这个重力。换句话说,宇宙必须旋转超过一定速度,宇宙越大收缩的倾向越大,这样算下来,我们所在的宇宙必须每700亿年转一圈,时间旅行的最小半径是160亿光年。但事实上,要想让时间倒退,你必须以略低于光速的速度旅行。

  爱因斯坦被他这个朋友的解深深地扰乱了。他承认在他建立广义相对论时,时间旅行的可能性问题曾困扰他。因为时间和空间被处理成像一块能够弯曲和扭曲的橡皮,空间-时间结构会弯曲得太大,以至于时间旅行也许可能。爱因斯坦最终排除了哥德尔的解,因为人们对宇宙的认识表明,宇宙不是旋转而是膨胀的。

  在爱因斯坦去世的时候,众所周知他的方程考虑到一些奇怪的现象,比如时间旅行和虫洞。但是没人认真思考这些问题,科学家认为这些现象在自然界是不能实现的。多数人的意见是,这些解在真实世界中没有基础:如果你想通过黑洞进入平行宇宙,你必死无疑;宇宙不旋转;你不能找出无限大的圆柱体。因此时间旅行是个纯粹的学术问题。

  于是时间旅行问题沉默下来。

  时间悖论

  除了建造时间机器的技术困难,物理学家和逻辑学家还提出了时间旅行可能带来的各种悖论,这也是有人不承认时间旅行可行性的一个理由。

  最著名的理论莫过于“外祖母悖论”,你回到过去,在你母亲出生前将你的外祖母杀死,那么你就不可能出生了。因此你绝不可能在时间上回到过去杀死你的外祖母。根据逻辑一致性的思想,这件事情是不可能发生的。

  除此之外,这样的悖论还有几种。比如,信息悖论:在这种悖论中,信息来自将来,这意味着信息可能没有起源。假设毕加索穿梭时空,把他的画作给了年轻的自己,那么这派艺术究竟是谁创立的?

  再比如性别悖论。在这种类型的悖论中,你生了你自己,在生理上这是不可能的。英国哲学家乔纳森·哈里森(Jonathan Harrison)写的故事中,故事的主人公不仅他父亲是他自己,而且吃了他的人也是他自己。在罗伯特·海因莱因的经典故事《你们这些还魂尸》中,主人公同时也是他的父亲、母亲、女儿和儿子,即家庭中其他三个成员是他自己。解开性别悖论是相当棘手的,既要求有时间旅行的知识,也不能违背基因法则。

  剧作家在制作好莱坞大片时随意违背物理学定律,但是在物理学界,则非常严肃地对待这些悖论。物理学家提出了至少三种自然可能会用来阻止时光旅行悖论的方法:第一种方法很简单,自然不允许人类回到过去,即时间旅行不可行。第二种,前述俄罗斯物理学家诺维科夫相信我们将被迫以一种方式行事而不让悖论发生。霍金的想法和其类似,他提出一种叫作时序保护猜想的假说,用来排除时间旅行的可能性。在这种假说中,要么制造的时间机器会被摧毁,要么试图使用时间机器的人或物会被摧毁。

  但是诺维科夫的方法提出了自由意志问题。如果我们在时间上回到过去,见到我们生前的父母,我们可能会想我们应该有我们行动的自由。诺维科夫认为有一条未发现的物理定律阻止任何会改变将来的行动,例如杀死父母,使你不能出生。他指出:“我们不能将时间旅行者送回伊甸园要夏娃不从树上摘苹果。”

  阻止我们改变过去和产生悖论的这种神秘的力量是什么呢?他写道:“这种对我们自由行动意愿的限制是不平常的和神秘的,但不是完全没有道理的。例如,我们可能想要在没有任何设备的帮助下在天花板上行走,但是引力定律不允许我们这样做。如果这样做的话就会掉下来,因此我们的自由意志受到限制。”

  可是没有生命的物质被投向过去也会发生时间悖论。假定在公元前330年,在亚历山大大帝和古波斯帝国国王大流士三世就要爆发历史性战役之前,你把机关枪带到那个时候,告诉他们怎样使用,我们就有可能改变随后的整个欧洲历史。

  事实上,即使是对过去最微小的干扰也可能引起意想不到的悖论。例如,混沌理论利用蝴蝶效应这个隐喻,在地球气候形成的危急关头,即便一只蝴蝶扇动翅膀也能产生波动,使力的平衡破坏和引发强大的暴风雨。即便是最小的没有生命的物体送回到过去也会不可避免地以一种意想不到的方式改变过去,引起时间悖论。

  第三种解决时间悖论的方法是有多重宇宙的存在,在回到过去后,你进入的是一个不同的平行宇宙,所以你不会对你本来的宇宙产生任何影响。事实上,所有可能的事都会发生,但是事情都是在平行宇宙中发生的。

  英国物理学家戴维·多伊奇(David Deutsch)用量子物量学定律来解答矛盾。在亚原子世界里,量子的不确定性占主导地位:一个电子撞击一个质子既可能转向左边也可能转向右边,其间并无规律可循。在一些物理学家看来,这种不确定性造成了宇宙的多重性,每次一个电子转向右边的时候就和一个转向左边的电子形成一个新的宇宙。矛盾可以用同样的方式来解决:如果时间旅行者干预了历史,宇宙就会分成两个或更多的分支,那个被杀死的母亲就会到另一个平行的宇宙里,而不会进入到弑母者归属的那个宇宙中。

  根据量子力学的解释,所有可能的世界都与我们共存,认识到这一点让我们头晕目眩。尽管为了到达其他世界也许需要冲动,但是这些量子世界就存在于我们所住的这个房间里。无论我们走到哪里,它们都和我们在一起。这样的多维空间的存在,其实我们的古人早就描述过了。

  诺贝尔奖得主史蒂文·温伯格把多元宇宙理论比作无线电,围绕我们周围有几百个不同的遥远广播电台播出的无线电波。在任何给定的时刻,你的办公室、小汽车或者卧室里充满了这些无线电波。然而,打开收音机,你每次只能听一个频道,每个广播电台有不同的能量和不同的频率,结果只能将收音机一次调到一个台。

  《平行宇宙》一书中写道:“同样,在我们的宇宙中,我们已经调到与我们宇宙的物理现实相应的频率。尽管有很多其他的宇宙,但是我们不能调到它们对应的频率。尽管这些宇宙看起来都很像,每一个世界有不同的能量。因为每个世界由百万亿亿个原子构成,这意味着能量的差别会很大,因为这些波动的频率与它们的能量成正比,这意味着每个世界的波以不同的频率振动,不再能相互作用。不管是什么意图和目的,各种各样的这些世界的波不发生相互作用和相互影响。”

  关于时间旅行的理论艰深而又有趣,不管可能性多么小,每个人心中依然存在“穿越”的梦想。有一种可能,我们只需要耐心等待技术的发展追上科学理论,这种情况已经不是第一次遇到了。500年前,莱昂纳多·达·芬奇设计了一架滑翔机,它并没有被建成,但如今对该模型重建证实,如果当时达·芬奇能够获得当代航空工程师所使用的高级材料和建造技术,他的滑翔机就可以在天空翱翔。或许,时间旅行也一样。