穿越时间的几种科学方法

   从古至今，时间一直是人们津津乐道的话题。爱因斯坦广狭相对论的提出彻底改变了人们对牛顿硬直时空观的看法，时间和空间变得可以操作。时至今日，穿越时间的可能性和方法仍然是一个在讨论的问题。

从爱因斯坦的相对论出发，我们可以得到两种切实可行的“穿越”时间的办法。一种是依据狭义相对论指出的钟慢效应，物体在相对于惯性系运动的时候它自己的时间将会变得缓慢。典型的例子就是双生子佯谬，这一假设也已经被环球飞机的实验所证实：相对于地面运动越快的参考系时间越缓慢。假如在未来，高速的宇宙旅行变得廉价，我们或许可以借助接近光速的宇宙飞船进行一次往返旅行来“穿越”到几十年甚至数百年后，而我们不过才衰老几小时。从弦理论来说，假如能将一根普朗克长度的弦断裂，它释放的张力完全可以使飞船近光速飞行很久。但这需要极其精密的技术和大量的能量来引发，或许可以成为一种飞船加速的方式。另一种方法是广义相对论提出的引力对于时间的延缓效应：在引力大的地方时间流动缓慢。和前一个方法类似，我们可以借助一次黑洞周边的往返旅行来穿越到未来，这个方法比第一种效率要高一些，因为在保证安全的前提下，黑洞的引力效应远远比飞船加速廉价。不过增大引力的效果并非只有黑洞，大引力的星体或者离心力可以达到同样的效果。

    以上两种方法的缺陷是我们只能往未来穿梭，对于更多人来说，穿越到过去或许更有吸引力。但遗憾的是，至今我们从未见过真正来自未来的人。不过我们仍可以做几种穿越到过去的猜想和讨论。首先我们需要理解一下时间的定义问题。霍金在《时间简史》当中认为时间有三种箭头：热力学箭头、心理箭头和宇宙膨胀的箭头。有些人经常故作聪明地偷换概念地说：“时间只是人心中的概念，并不存在”来逃避对于物理问题的讨论，很明显，这种说法只是否定了第二类时间箭头，热力学和宇宙的箭头并不会因此停止。

    对时间有个定义之后，我们可以先从热力学角度思考。热力学第二定律指出孤立系统时间总是往熵增的方向行走。所以我们可以建立一个理想的孤立系统，然后减小它的熵来实现穿越。但到目前为止，这种情况我们仅仅在微观尺度下观测到，对于人体这么大的宏观来说减小熵值是几乎不可能的。宇宙也是一个孤立系统，所以目前为止宇宙的熵总在增加。不过我们或许没有必要担心宇宙会在某天变成一锅混乱的浆糊，因为热力学第二定律的假设是无引力作用的系统，而宇宙恰恰是有引力存在的：它很大可能不会像热寂说预言的那样变得冰冷死寂。

    另一个角度是宇宙膨胀的时间箭头：假如宇宙开始坍缩，时间能否倒流？刘慈欣的科幻小说描述了这种设想，大坍缩开始后人们的言行全部倒流，人们不在衰老而是返老还童，记忆随着时间倒流而逐渐忘却。霍金将这种情形描述为，只能记得未来而不记得过去，因为此时倒转的时间箭头就是指向失忆的方向，所以“未来”就是坍缩前的过去。不过霍金随后也声明自己是错的，即便是大坍缩到来这种情况也不会发生。所以我们大可不必担心美好的记忆丧失。

    于是两种方法都被否定了，我们需要问一问爱因斯坦的观点。从穿越到未来的第一个方法推广猜想，我们能否以超光速旅行从而使自己的时间倒流？超越光速显然是不可能的，但我们可以修改上一句话，我们能不能在“出发”这一事件以光速传达到目的地之前到达目的地？相对论指出，引力的本质是时空的几何弯曲，所以卫星总是绕天体环形运动，它走的实际上是被凸向弯曲成圆形的四维直线。假如能将时空凹向弯曲成马鞍形，然后从两侧对称点的连线上行走，那我们将可以在弯曲的时空中，在不超越光速的前提下到达目的地。但是如所见之星体，我们只见过凸向弯曲的时空，从未见过宏观凹向的弯曲。这就意味着要造成凹向弯曲需要和正能量的星体完全相反的负能量才行。与之相似的虫洞猜想，进入黑洞后经过虫洞到达另一端的白洞从而比光速更早到达目的地，也需要巨大的负能量支撑。这一技术在目前而言是不可能的。而且白洞始终是科学家的臆想，从未真正发现过。某些意义上可以认为，白洞就是时间反演后的黑洞，它和黑洞不能在同方向的时间轴上存在。

    弯曲时空的方法还有一种猜测，就是曲率飞船。这种飞船可以简单地解释为，将前方的空间压缩，后方的空间拉伸从而使自己对于地面参考系来说超越光速的飞船。但对于飞船附近的空间，它并没有超越光速，甚至可以是静止不动的。制造曲率飞船也需要弯曲时空的负能量，不过需要的量可能要少于开放一个虫洞。谢尔盖·柯拉斯尼夫科将白洞和曲率飞船联合，大胆地设想出一种类似隧道的设施，其内部前方的时空压缩程度总大于后方，飞船进入之后就可以自动“超光速”旅行。这种隧道被称为柯拉斯尼夫科管。

    还有一种关于黑洞和时间箭头的猜想，那就是在黑洞的视界内部时间和空间的轴是互换的。尽管一个进入黑洞的人无法再走出来，他的空间轴已经被置换成单向的指向黑洞中心的方向，他的时间轴却可以像在空间中一样随意运动。科幻电影《星际穿越》中男主角进入黑洞之后的存在就类似这种境遇。他可以像查看图书馆的书籍一样查看自己一生中所有的景象，甚至通过引力子来和曾经的女儿对话。这种情况也可以理解为很多科幻小说中所描述的“四维生物”：和三维生物在空间中自由运动一样，可以在四维时空随意运动。不过这种猜想目前只是猜想，囿于引力子不能量子化的问题，我们对黑洞的理解仍然仅停留在皮毛。

    综合以上所有观点，现在拥有的技术或许可以让我们“穿越”几毫秒，或者说延长几毫秒微不足道的生命。而曲率飞船、黑洞、虫洞等穿越到过去的猜想还需要时间和技术去证实。到目前为止最前沿的物理学理论仍然只是数学基础上的计算，还不能证实是正确的。或许在未来某天，某个实用性的发现或者技术会像广义相对论颠覆牛顿力学一样颠覆如今的猜想，从而证实或证伪以上的说法。但科学总是在悖论中前行的，我们不必为此感到沮丧失望，因为唯一绝对的真理就是真理本身总是相对的。

   没错，是我的选修课论文，自己写的，老师给了96分，转载请注明。