基普·索恩：我们能穿越时空吗？_风闻

撰文 | 基普·索恩（Kip Thorne）

翻译 | 圆周π小姐

审校 | 牧鱼

物理定律允许先进文明的成员以他们希望的速度穿越到未来。而回到过去又是另一回事；我们不知道这是否仍遵循物理学定律，这个答案很可能是受一套我们还不太了解的物理定律所控制：量子引力定律。为了让人类能迅速穿越到未来，或者回到过去（如果允许的话），我们需要的技术远远超过我们今天的能力。

迅速穿越到未来

阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 的相对论物理定律告诉我们，时间是“私人的”(personal)。如果我和你移动的方式不同，或者在引力场中处于不同的位置，那么你经历的时间流速（它控制着你随身携带的一切运作良好的时钟滴答作响的速度，并控制着你身体的衰老）与我所经历的时间流速不同。（爱因斯坦用“时间是相对的”这句话来解释；我更喜欢“时间是私人的”这句话。）

时间的这种私人特性允许一个人比另一个人在时间上更快地向前移动。双胞胎中一个人（叫他梅瑟塞拉）留在地球上的家里；另一个（叫她弗洛伦斯）高速进入宇宙，然后返回。当他们在旅行结束见面时弗洛伦斯的年龄将远远低于梅瑟塞拉；例如，弗洛伦斯可能衰老了30岁，而梅瑟塞拉衰老了4,500岁。（年龄小的那个双胞胎，经历了巨大的加速度，达到高速，再减速，转变方向，然后加速返回，最终在地球上减速至静止。年龄大的是在地球上过着平静生活的那个双胞胎。）这种现象就是所谓的孪生子佯谬。

如果弗洛伦斯的时钟和她的衰老程度显示往返旅途的时间为10年，梅瑟塞拉将年龄增长25岁。如果弗洛伦斯年龄增加30岁，梅瑟塞拉将增加4,500岁。如果弗洛伦斯增加88岁，梅瑟塞拉年龄将增加140亿岁，这是我们现在宇宙的年龄。不幸的是，目前没有任何火箭燃料，甚至热核聚变，能为这个旅途产生持续这么长时间加速所需的能量。

大质量的黑洞是另一种快速穿越到未来的时间旅行工具：如果梅瑟塞拉待在大质量黑洞事件视界上方的轨道上（例如，该黑洞的引力是太阳的十亿倍），并且弗洛伦斯向下旅行到事件视界附近并在其上盘旋30年后回来，那么梅瑟塞拉可以衰老数千年或者数百万年。这是因为时间在黑洞事件视界（引力加速度很大）附近的流速比距离黑洞很远的地方（一个人可以平静生活的地方）要慢得多。

这些时间旅行现象已经在实验室里进行过测试。科学家在纽约长岛布鲁克海文国家实验室里做了一个实验， 介子是一种寿命很短的基本粒子，他们发现它在存储环中以0.9994倍的光速绕圈比静止在实验室里的介子衰变速度慢29倍。并且地球表面上的原子钟比高于地球表面上的原子钟慢——大约是它的100亿分之4。

回到过去：时序保护

自19世纪80年代末以来，我们物理学家一直致力于了解物理定律是否允许回到过去。虽然我们现在还没有定论，但斯蒂芬·霍金 (Stephen Hawking) 在他的时序保护猜想中总结了可能的答案（见[1]）：似乎有一个时序保护机制，防止闭合类时曲线的生成，从历史学家手上保护了宇宙的安全。

我们物理学家已经确定了两种可能的时序保护机制：(1)根据物理定律，制造任何时间机器所需的奇异物质可能被禁止存在——禁止以时间机器所需的数量大量存在。(2)当人们试图激活时间机器时，它们总是爆炸性地自毁。

这些机制(1)和(2)是数学结果的描述性翻译，它是由我们物理学家通过物理定律得到的，而描述这些物理定律的自然语言为数学。命题(1)和(2)抓住了我们计算得到的本质，但在描述性翻译中丢失了关键的细节。对于任何希望努力理解这些细节的人来说，可以从约翰·弗里德曼（John Friedman）最近发表的优美但硬核的综述文章（见[2]）以及马特·维瑟（Matt Visser）的一篇没那么多技术性但比较旧且有点过时的文章来入手。

我将用我学生迈克·莫里斯（Mike Morris）和乌尔维·尤特塞弗（Ulvi Yurtsever）还有我在1989年用数学方式发明和探索的时间机器例子来说明这些时序保护的机制：一种基于虫洞的时间机器。（这只是众多已经研究过的时间机器设计之一。其它的可以参阅维瑟(Visser)的综述，[3]）

我爬过一个虫洞，虫洞的长度只有几厘米，但周长大约是我肚子的周长。（在我的书《黑洞与时间弯曲》[4]中,你可以找到关于这个时间机器的更详细的描述。）

基于虫洞的时间机器

虫洞是一条穿过超时空的假想隧道，它将我们宇宙中的一个地方（例如我在加州理工学院的办公室）连接到另一个地方（例如加州理工学院的足球场）。虫洞的每一端（每个洞口）看起来像一个水晶球。人们通过凝视虫洞的一端，可以看到另一端物体的扭曲图像。比如朝在我办公室的虫洞洞口里看，我看到了扭曲的足球场；足球场上的人看着那里的洞口，就能看到扭曲的我和我的办公室。虫洞（隧道）可能只有3米长，所以如果我进入办公室的虫洞入口，然后在隧道里仅仅走了3米穿过隧道，我就会从另一个洞口出来，到达距离办公室300米的足球场。

从高维超空间观察的虫洞。我们的宇宙是二维的薄片。虫洞是从我们薄片中的一个位置（我们的宇宙）到薄片中另一个位置的超时空捷径。

现在，假设一个来自极其先进文明的生物在“孪生子佯谬”之旅中将足球场虫洞口带到宇宙里。当那个洞口回来时，它可能只老化了一秒钟，而我办公室里的虫洞洞口却老化了一天。于是虫洞变成了一台时间机器：如果我进入一个洞口，只穿过几秒钟，我就会在下一天从另一个洞口里出来。而从另一个方向穿越虫洞，我会从前一天出来！（参见 [4].）

奇异物质和真空波动

我们不知道物理定律是否允许虫洞的存在。然而，我们确实知道，虫洞会迅速内爆，以至于没有任何东西可以穿过它，除非它被引力排斥而保持打开，这种力只能由奇异物质产生。我所说的“奇异物质”是指具有负能量的物质，因此有反引力，即排斥力。

物理的量子理论的确允许奇异物质的存在，它是在实验室中以非常微小的数量产生的：在两个导电板之间的所谓卡西米尔真空中，以及在光物理学家使用非线性晶体产生的所谓压缩真空中。

卡西米尔真空：当两个导电板放置得很近时，平行于板的真空波动电场受到强烈抑制，而垂直于板的真空波动电场几乎没有受到影响。其中抑制作用使得板之间的波动能量比无板情况下的波动能量更低，因此板之间的真空 （卡西米尔真空）获得负引力能。它为板内的电场提供了一些波动能量。导电板的引入催化了这种效应。

这种负能量的关键在于，真空空间（真空）充满了宇宙中存在的各种物质和场的微小波动。让这些波动消失是不可能的。它们是量子力学不确定性原理的结果：如果在某一时刻完全没有波动（例如） 电磁场，那么波动的变化率一定是无限大的，并且片刻之后的波动将是巨大的。波动强度及其变化率大小的乘积总是大于由不确定性原理给出的确定极限。因此，波动始终存在。我们称它们为真空涨落，因为它们是真空的属性，即真空的空间。

卡西米尔真空打开的虫洞：两个间隔很小的同心球形导电板放置在虫洞的喉咙处。（这里被抑制了一个维度，所以我们的宇宙是一个二维的薄片，导电板看起来像圆形而不是球体。）如果导电板的能量（包括它们的质量的能量E=mc2） 足够小，则由导电板之间的卡西米尔真空所引起的排斥引力可以使维持虫洞打开的状态。

量子物理定律表明，真空涨落不产生引力——或者只可能产生极小的引力：加速宇宙膨胀的引力。换句话说，真空涨落可能是所谓宇宙学暗能量的原因。但是这种暗能量是如此之小（10⁻¹²¹的数量级），以至于与我对时间机器的讨论无关；所以我可以说量子涨落根本不产生引力。

或者，更确切地说，它们在正常情况下不会产生引力。事实上，人们可以想办法使一个空白区域将其真空涨落借一些给相邻区域。（这就是实验物理学家对卡西米尔真空和压缩真空所做的事。）当这种情况发生时，被借走能量的区域将留下负的引力能量，而借能量的区域将获得正引力能量。量子定律严格限制了可借波动能量的量。借能量区域的规模越大，它可以借的能量就越少，因此它能产生的负能量就越少。在卡西米尔真空、压缩真空和所有其他奇异物质变体中都是如此。以上都是由物理定律所决定的。

这些对负引力能量的限制，可能严重到足以阻止人们积累足够多的负引力能量来防止虫洞内爆（见[5]）。原因是，借能量的区域和催化借能量的装置可能总是具有很多的正能量，以至于它们的吸引力抵消了负能量的排斥引力，并触发所有虫洞内爆。如果是这样的话，那么基于虫洞的时间机器是不可实现的：在虫洞内爆之前，人们永远无法穿越虫洞。（约翰·弗里德曼及其同事称之为拓扑宇宙监督原理，见[2]。）

我个人的猜测是，这些对奇异物质的限制并不能阻止虫洞被打开，因此并不能保护时序，但我可能是错的。为了了解真相，我们物理学家必须比现在更深入地理解扭曲时空中的量子理论——即对量子理论和广义相对论相结合的理论，也就是量子引力理论，有更深入的理解。

时间机器自毁

如果最终显示虫洞可以维持开放状态，那么这样仍不足以使得超先进的文明能通过利用孪生子佯谬而将虫洞转化为时间机器（将虫洞的一个洞口高速带入宇宙然后返回）。因为还有第二个障碍必须克服——时间机器的自我毁灭：

时间机器自毁：当右边的虫洞在其孪生子佯谬之旅结束时飞回左边，真空涨落就流过虫洞，然后通过虫洞之间的空间流出，在它们离开的同时回到了它们的出发点。它们的引力能量变得非常大，也许在虫洞变成时间机器的那一刻就摧毁了它。（图改编自我的书《黑洞与时间扭曲》，[4].

当被带出的洞口回到地球时，虫洞可以首次实现回到过去的功能。一个实体进入一个洞口，在它进入之前它就从另一个洞口退出，然后以尽可能高的速度，也就是光速，飞跃宇宙回到它的起点，在它开始旅行的那一刻就回到了第一个洞口，这是时间倒流能做到的第一件事，在离开前就碰到了自己。即使没有光或其他光速放射线在这条往返时间旅行路线上传播，真空涨落也总是会这样做。它们是不可阻挡的。在它们离开的那一刻回到起点时，真空涨落会堆积在它们年轻的自己身上。结果是复制每个波动，然后再来回另一次，每个波动就变成了原来的四倍，依此类推。根据我在1990年与博士后金成元(Sung-Won Kim)所做的计算，底线是恰好在时间旅行首次可能的时刻——即在时间机器激活的那一刻，在虫洞中的引力波动能量的一个爆炸性流 [4]。

这种爆炸性的波动能量会摧毁虫洞，进而摧毁时间机器吗？起初，我和金以为虫洞可以幸存。然而，斯蒂芬·霍金在他1991年关于时序保护的开创性研究论文中给出了相反的有力论据。霍金认为，爆炸很可能在时间机器首次激活时摧毁它——不仅仅是这个时间机器，而是即使是最先进的文明可能构思和建造的任何时间机器都会被摧毁。在接下来的几年里，许多其他物理学家也参与进来，分析了其他时间机器的设计，看起来霍金可能错了：一个足够聪明的设计可能会保护时间机器免于自我毁灭。在1996年，伯纳德·凯 (Bernard Kay)，马雷克·拉齐科夫斯基 (Marek Radzikowski) 和罗伯特·沃尔德 (Robert Wald) 给出了一个强有力的数学证明，即我们所用来分析时间机器自毁的量子物理定律的版本无法揭示爆炸的结果。这个结果服从我们还没有完全理解的量子引力定律。

任何时间机器的命运？

我和霍金关于物理学中未解之谜的打赌历史可以追溯很久。但我们在这个问题上并没有打赌，因为这次我们站在同一边。当我们物理学家掌握了量子引力定律时（霍金和我都同意），我们很可能会发现时序是受到保护的：当任何时间机器第一次被激活时，爆炸总是会摧毁它。

在2000年6月，我60岁生日之际，霍金用他自己的量子引力定律的暂定版本，向我展示了对爆炸结果的初步分析。他的结论是：如果我试图利用一个非常先进文明的虫洞来回到过去，那么我成功的量子力学概率是分之一；详见我生日派对书中霍金的文章，[6]。这说明在爆炸中幸存下来的概率非常非常小。哪怕有机会我也不会尝试。

其他时间机器

令人惊奇的是，当我们能很好地理解物理定律时，我们可以从中学点东西。一个著名的例子是物理定律坚信，即使拥有极其先进文明的所有工具，也不可能制造出永动机。另一个例子是霍金关于制造时间机器的证明，无论怎样，人们必须使用奇异物质——负能量物质——作为机器的组成部分；虫洞证明了这一点，但总的来说确实如此。第三个例子是凯，拉齐科夫斯基和沃尔德的证明，无论人们如何设计这个时间机器，我们现在所知道的物理定律，会让它在被激活时使其崩溃。再次重申，虫洞只是其中一个例子。霍金的理论，以及凯、拉齐科夫斯基和沃尔德的理论告诉我们，所有时间机器的命运都紧紧地掌握在量子引力定律的手中。

在过去的二十年里，我们在寻求理解量子引力方面取得了巨大的进展。我相信，在未来二十年左右的时间里，成功将会到来——它不仅会带来对回到过去的时间旅行是否可行的清晰理解，而且还会带来对许多包括我们的宇宙是如何诞生等的其他奥秘的理解。

参考文献

[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.

本文经授权转载自微信公众号“中科院物理所”，原题目为《时空穿越而已，有什么难的？(没骗你)》，编辑：藏痴，原文链接：https://plus.maths.org/content/time-travel-allowed。

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