爱因斯坦世纪：相对论允许回到过去

　　文章来源：《环球科学》杂志

　　1895年，赫伯特?乔治?威尔斯（H.G。 Wells）发表了他的第一部小说《时间机器》（The Time Machine），此时距离维多利亚女王结束她对英国长达60年的统治已经没几年了。与此同时，一个历史更加久远的王朝也即将走向衰落，那就是有着200年历史的牛顿物理时代。在1905年，阿尔伯特?爱因斯坦（Albert Einstein）发表了狭义相对论理论，这让艾萨克?牛顿（Isaac Newton）的理论遇到了巨大的麻烦，但威尔斯却因此高兴不已。

　　在爱因斯坦的理论中，许多在牛顿构建的世界下不可能发生的事情都有了转机，比如飞向未来的时间旅行。在牛顿的宇宙中，时间在任何一个地点，任何一个时间都是恒定的：它永远不会加速，也不会减速。但是，在爱因斯坦看来，时间是相对的。时间旅行不仅是可能的，它已经实实在在地发生了，尽管和威尔斯的想象可能不完全一样。

　　根据普林斯顿大学天体物理学家J ?理查德? 戈特（J。 Richard Gott）所说，迄今旅程最长的时间旅行者是谢尔盖?克里卡列夫（Sergei Krikalev）。在职业生涯中，这位俄罗斯宇航员在太空中呆了803天。就像爱因斯坦所证明的那样，相比较那些静止的物体而言，运动物体的时间流逝会更慢一些。所以当克里卡列夫在和平号空间站（Mir space station）里以27 359千米/小时的速度在轨道上运动时，时间流逝的速率与地球上的并不相同。当克里卡列夫在空间站时，他比那些地球上的伙伴们年轻了1/48秒。换而言之，他向未来穿行了1/48秒。

　　对于高速物体长距离运动而言，时间穿梭的效应更加明显。如果克里卡列夫在2015年离开地球，并以光速的99.995%在猎户座的恒星参宿四（Betelgeuse；距离地球520光年）与地球之间做一趟来回飞行。当他回到地球时，仅仅老了10岁，但是非常遗憾的是，他认识的所有人都早已去世，因为地球上已经过了1 000年，那时地球已是3015年了。戈特说， “我们已经知道，我们可以做到向未来飞越，这仅仅是钱和工程技术的问题。

　　尽管在实践时有很多的困难，但是向前穿越几个纳秒（甚至几个世纪） 却是非常直观和容易理解的。然而， 回到过去就难得多。起初，爱因斯坦的狭义相对论是禁止向过去穿越的，经过10多年的努力，在他发表广义相对论时，已经在理论中消除了对回到过去的限制。可是，如何让人回到过去依旧是一个非常棘手的问题。

　　广义相对论方程有很多的解，不同的解将会赋予宇宙不同的性质，只有在某些特定的解中，才能创造出可以返回过去的条件。目前我们还不清楚，其中是不是有一个解确切地描述了我们的宇宙。而这个问题又引出了更深层次的一些研究课题：比如，到底要在基础物理领域中做出多少细微的调整，才能允许我们回到过去？即使爱因斯坦的理论没有禁止我们回到过去，但是我们的宇宙本身会不会通过某种方式阻止这样的旅行？

　　物理学家一直思考着这些问题，并不是因为他们想象着某天时间穿越能成为现实，而是因为思考时间穿越的可能性，能让我们对自身居住的宇宙有更深入甚至意想不到的认识，比如，最初它是怎么产生的。

　　不一样的时间

　　威尔斯很有先见性地认为，我们生活在一个由三维空间和一维时间交织在一起的四维时空当中。而爱因斯坦的狭义相对论在某种程度上，让威尔斯十分欣喜，因为它让时间有了延展性。当时，爱因斯坦在研究什么？首先，尽管所有的运动都是相对的，但在宇宙任何地方，在任何人看起来，物理定律必须是一样的。第二点，从任何一个参考系观察，光速必须是不变的： 如果每个人都看到了同样的物理定律在起作用，那么当他们测量光速时，一定会得到相同的结果。基于这两点思考，爱因斯坦获得了突破性的成功。

　　为了让光速成为普适的速度限制，爱因斯坦必须抛弃两个常识性的概念：对于一段给定的长度，所有观测者得到的观测结果都一样；对于所有人来说时间流逝的快慢是一致的。他证明，当一个时钟快速地经过一个静止的人时，运动时钟要比这个人身旁的静止时钟走得慢。同时，快速运动的尺子，长度也会缩短。而对与时钟和尺子按照同一速度运动的人来说，时间的推移和尺子的长度都是正常的。

　　在低速下运动时，狭义相对论的时空扭曲效应是可以忽略不计的。但是对于运动速度接近光速量级的物体而言， 这种效应是真实存在的。比如，许多的实验已经证实，一种叫做μ介子（muon）的不稳定粒子在以接近光速的速度运动时，衰变速率减慢了一个数量级。实际上，这种高速运动的μ介子，就是缩小版的时间旅行者（亚原子层次上的克里卡列夫），向未来跳跃了几个纳秒。

　　哥德尔的奇异宇宙

　　那些快速运动的时钟、尺子和μ介子都是在向未来运动，他们是否能够回到过去？库尔特? 哥德尔（Kurt G?del）利用广义相对论描述了一个可以穿越到过去的宇宙，他也是第一个找出这样的宇宙的人。他是著名的不完备定理（the incompleteness theorems）的创立者，这个定理划定了数学能够证明什么和不能证明什么的范围。他是20世纪卓越的数学家之一，也是最为古怪的人之一。他有许多奇怪的小癖好，比如对婴儿食物和通便剂的喜爱。

　　爱因斯坦70岁生日的时候，哥德尔将这个宇宙模型作为礼物送给了爱因斯坦，但爱因斯坦对这样的宇宙模型充满了怀疑。哥德尔所描述的宇宙具有两个独特的性质： 它是旋转的，这样就能提供离心力，防止宇宙中的物质塌缩到一起，也就满足了爱因斯坦对于任何一个宇宙模型都必须是稳定的要求。但是它同时允许向过去穿越的时间旅行，这一点让爱因斯坦深深不安。在哥德尔的宇宙模型中，一个太空旅行者出发后，能够最终到达她（他）自己过去的某一点，好比旅行者在一个巨大圆柱体的表面走完了一圈。物理学家将这个时空轨迹称之为“闭合类时曲线 （closed timelike curves）” 。

　　在时空中，一个闭合类时曲线可以是任何能够返回到自身的路径。在哥德尔的旋转宇宙中，这样的曲线就像地球表面的纬度线一样环绕整个宇宙。物理学家已经设计出了很多不同类型的闭合类时曲线，至少在理论上，所有这些曲线都是允许回到过去的。不过，沿着任何一条曲线的旅行都会显得平淡无奇、甚至让人失望，你通过飞船的舷窗看到是恒星和行星这些宇宙空间中的寻常景象。

　　更为重要的是，在这次的旅途中，你自己钟表上的时间将会按照正常的速率向前流逝，尽管你会回到过去的一个时空位置上，但是时钟的指针却并不会因此反向转动。朱利安?巴伯 （Julian Barbour）是一位独立的理论物理学家，他住在英国牛津附近，他说，“早在1914年的时候，爱因斯坦已经意识到了闭合类时曲线可能存在。 ” 。

　　据巴伯回忆，爱因斯坦曾说过： “我的直觉强烈地反对它。 ”这类曲线的存在会给因果律带来各种各样的问题。如果事情已经发生，过去如何能被改变？还有一个古老的祖父悖论： 如果一个时间旅行者在他的祖父遇见他的祖母之前，就将祖父杀死，那么在这个时间旅行者身上会发生些什么，这位疯狂的旅行者还会出生吗？

　　幸运的是，对于那些因果论的爱好者来说，天文学家目前没有发现任何宇宙在旋转的证据。哥德尔自己也曾苦心钻研星系列表，寻找可能证明自己理论的线索。或许哥德尔没有设计出一个真实的宇宙模型，但是他的确证明了闭合类时曲线和广义相对论的方程是完全相容的。物理定律并没有排除向过去穿越的可能。这种可能性有多少？

　　在过去的几十年中，宇宙学家已经利用爱因斯坦的方程，构建了许多不同的闭合类时曲线。哥德尔要求在整个宇宙有某种特性才能使其存在，但是，最近的一些热衷于时空穿梭的人发现，在宇宙局部区域弯曲时空也能制造出闭合类时曲线。

　　在广义相对论中，行星、恒星、星系和其他大质量天体都会弯曲时空。弯曲的时空反过来将会引导这些大质量物体的运动。就像后来的物理学家约翰?惠勒（John Wheeler）所说的， “时空告诉物体如何运动； 物体告诉时空如何弯曲” 。在非常极端的情形中，时空或许能弯曲到一定的程度，从而创造出从现在回到过去的路径。

　　物理学家们已经提出了一些非常奇怪的机制，试图创造这样的路径。在1991年的一篇文章中，戈特证明如何在两根宇宙弦（cosmic string； 一种无限长，比原子尺度还要薄的结构，或许形成于宇宙早期）交汇的地方产生闭合类时曲线。1983年，加州理工学院的物理学家基普?索恩 （Kip Thorne）开始探讨一种叫做虫洞的闭合类时曲线的可能性（虫洞是一种连接不同时空地点的通道） ，这种虫洞或许允许回到过去。

　　“在广义相对论中，如果你连接了两个不同的空间区域，那么你也连接了不同的时间区域” ，肖恩?M?卡罗尔（Sean M.Carroll）说，他是索恩在加州理工学院的同事。进入虫洞的入口将是球形的，它是一个进入四维通道的三维入口。像所有的闭合类时曲线一样，通过虫洞的旅行“和其他旅行没什么不同” ，卡罗尔说， “并不是你在这个时刻消失，然后在另外一个时刻被重新组装起来。目前还没有任何合适的理论允许这种科幻似的时间旅行” 。对于所有的旅行者而言，他补充道： “时间都是在一秒一秒地向前流逝，只是你当地时间‘向前’的速率和宇宙其他地方不那么同步而已” 。

　　尽管物理学家能够写出描述虫洞或者其他闭合类时曲线的方程，但所有的模型都有严重的问题。卡罗尔说，“首先，为了得到一个虫洞，你需要负能量” 。一块空间中的能量会自发涨落，当它小于零时，就会出现负能量。如果没有负能量，虫洞的球形入口和四维通道就会瞬时向内塌缩。对于能被负能量一直支撑，并且保持开放状态的虫洞，卡罗尔说： “看起来非常困难，甚至是不可能的。在物理上看来，负能量也是很糟糕的一件事。 ”即使负能量能够保持虫洞敞开，在你想借此制造时间机器时，“粒子会穿过虫洞，而且每个粒子都会来回穿梭无限多次， ”卡罗尔说， “这可会产生无穷大的能量。 ”而巨大的能量会让时空变形，使整个虫洞塌缩成黑洞 （一个在时空中无限致密的点） 。卡罗尔说：“我们不是100%确信这一切会发生，但是看起来非常有可能。实际上宇宙正在通过制造黑洞来阻止你制造一架时间机器。 ”

　　和诞生自广义相对论的自然产物（黑洞）不同，虫洞和闭合类时曲线是人为构造出来， 这是用来测试理论边界的一种方式。“黑洞很难避免， ”卡罗尔说， “但闭合类时曲线的产生却是非常困难的。 ”即使虫洞在现实环境中行不通，但它符合广义相对论的事实也有重要的意义。 “我觉得非常奇妙，即使距离将时间旅行扫地出门只有一步之遥，但我们就是没法做到，这也让我有些懊恼， ”卡罗尔说。

　　更令人恼火的是，在爱因斯坦优美的理论中，居然允许存在看起来几乎不可行的事情。但是仔细考虑这些令人心烦的可能性，物理学家或许可以对我们所居住的宇宙有更深入的理解。或许，如果我们宇宙不允许向过去穿越，那它就根本不会存在。

　　宇宙是自己产生的？

　　广义相对论在最大的尺度上描述了宇宙，而量子力学则提供了原子尺度上的说明书。同时，量子力学为闭合类时曲线提供了另一种可能出现的场合——宇宙起源之时。威斯康辛大学密尔沃基（University of Wisconsin–Milwaukee）分校的物理学家约翰? 弗里德曼（John Friedman）说： “在极小的尺度上（10–30厘米） ，时空的拓扑结构可能发生涨落，如果没有出现任何基本层面的理论障碍，随机涨落中或许会出现闭合类时曲线。 ”那么能不能用某种方法放大和控制量子涨落，把它变成时间机器？“虽然没有明确的证据说明不能在宏观尺度上拥有闭合类时曲线， ”弗里德曼说， “但是，凡是考虑过这些问题的人们都不支持这种观点。 ”

　　毫无疑问，不管是在量子尺度还是在宇宙尺度上，创造一个时空的环路都是需要非常极端的物理条件。戈特说，最有可能出现极端物理条件的地方，就是宇宙最开始的地方。1998年，戈特和天体物理学家李立新（现就职于北京大学）共同发表了一篇文章，在文章中，他们认为闭合类时曲线不仅是可能的，而且对解释宇宙起源是非常必要的。戈特说， “我们研究了宇宙孕育出自己的可能性，也就是说，宇宙最开始那一刻的闭合时间回路，能否让宇宙创造出自己。 ”

　　戈特和李立新的宇宙模型就像标准的大爆炸宇宙学（一种遍及各处的能量场驱动了宇宙的初始膨胀）一样，以一段暴胀作为开始。现在，许多科学家都相信，暴胀除了形成我们所在的宇宙，还形成了无数其他的宇宙。 “暴胀一旦开始，就很难停止， ”戈特说， “它就像一株具有无穷条枝杈的树，我们只是其中一个分枝。但是， 你必须问自己， 主干来自哪里？李立新和我认为，很有可能是其中一个分枝回环构成了一个循环，然后成长为主干。 ”

　　如果对戈特和李立新的自启动式宇宙做一个非常简单的二维速写，它看起来就像是数字“6” ，时空的环路位于底部，我们现在的宇宙位于顶端。戈特和李立新从理论的角度推断，突然出现的暴胀允许宇宙从时间环路中逃离，并且膨胀成我们当前居住的宇宙。要理解这个宇宙模型有些困难，但是戈特却认为，这个理论最吸引人的地方在于，它消除了“凭空创造出一个宇宙”的需求。

　　然而塔夫茨大学（T ufts University）的亚历山大?维兰金（Alexander Vilenkin），剑桥大学的斯蒂芬? 霍金（Stephen Hawking），和加利福尼亚大学圣巴巴拉（ University of California， Santa Barbara）分校的詹姆斯? 哈妥（James B。 Hartle）共同提出了一个模型，在这个模型中宇宙就是凭空产生的。根据量子力学，真空并不是绝对的空，它充满了虚粒子，这些粒子会自发产生并且迅速湮灭。霍金和他的同事理论推测，我们的宇宙也同样来自量子真空。但是在戈特看来，宇宙不是产生于“虚无” ，它应该是从它自己中诞生的。

　　一场新的较量

　　目前，我们没有任何的办法来验证这些理论中有哪个可以真正解释宇宙的起源。著名的物理学家理查德? 费曼 （Richard Feynman）将我们的宇宙比喻为一场在神之间进行的国际象棋比赛。他说，科学家们试图在不知道规则的情况下理解这场比赛。在看到神将士兵向前移动一格时，我们学到了一个规则：士兵只能向前移动一格。但是，如果这只是因为我们从未没看到比赛的开始，没看到那时兵可以向前移动两步呢？我们或许也会错误地假设兵永远只能是士兵，它们永远不会改变身份，直到我们看到兵变成为一个后。

　　“你或许会说那违反了规则， 你不能将兵变成后！” 戈特说， “好吧，其实是可以的。只是你之前没有看到过那么极端的比赛而已。时间旅行的研究大抵也是那样，我们通过查看一些极端环境来测试物理定律。对于向过去穿越的时间旅行，逻辑上没有任何限制，只是它不符合我们已经熟悉甚至习惯的宇宙而已。 ”将兵变成一个后很可能仅仅是相对论规则的一部分， 戈特还说， “我们的宇宙如何走到了现在，这才是重要的。 ”

　　相比于物理，这些疯狂的推测和想法更贴近哲学。但是，量子力学和广义相对论（强大并且反直觉的理论）已是目前能够帮助我们弄明白这个宇宙的全部理论。 “只要人们试图将量子理论和广义相对论带到这个话题中，我想说的第一件事就是，他们并不是真的知道自己在做什么， ”纽约大学的科学哲学家蒂姆?莫德琳（Tim Maudlin）说， “这些都不是严谨的数学，因为有部分看起来像广义相对论的，另一部分又看起来像量子理论的，通过某种不够和谐的方式组合在一起。但这也是人们必须要去做的，说实在的，他们还不知道如何通过一套行之有效的办法向前推进。 ”

　　在未来，会不会出现新的理论，完全否定向过去穿越的可能性？或者说，新的理论让我们再次惊叹原来宇宙比我们想象的更加奇怪？在爱因斯坦重新定义了时间之后，物理学已经取得了突飞猛进的发展。曾经，时间穿越只存在于威尔斯的小说中，现在，我们在现实生活中，至少能实现向未来穿越。当我问戈特，是不是很难相信宇宙间存在某种对称性，让我们可以在时空中穿行？他用一则轶事回答我说， “一次，爱因斯坦和一个年轻人聊天。年轻人抽出笔记本，在上面写下了一些东西。爱因斯坦问，那是什么？年轻人说， 一个笔记本， 只要我有好想法， 就会把它记下来。爱因斯坦说，我从来不需要笔记本，因为我只有三个好的想法。 ”戈特说： “我想，我们在等待一个新的好想法。 ” 这个自由落体者的故事已然成为了一个标志，甚至有一些版本真的认为，曾有一位油漆工从专利局附近的公寓楼顶坠落。与其他关于引力发现的绝妙故事（伽利略在比萨斜塔投掷物体以及牛顿被苹果砸中脑袋）一样，这些事迹都只是经过美化、杜撰的民间传闻罢了。爱因斯坦更愿意宏大的科学议题，而非“琐碎的生活” ，他不太可能因看到一个活生生的人从屋顶跌落而联想到引力理论，更不可能将此称为一生中最幸福的思想。

　　不久，爱因斯坦进一步完善了这个思想实验，他想象自由落体者处在一个密闭空间中，比如一部自由坠落的升降机。在这个密闭空间中，自由落体者会感到失重，并且他抛出的任何物体都会与他一起漂浮。他将无法通过实验来辨别，自己所处的密闭空间是正在以某一加速度做自由落体运动，还是正在外太空的无重力区域漂浮。 然后，爱因斯坦想象这个人仍在同一个密闭空间里，处于几乎没有重力的外太空中。此时有一个恒力将密闭空间以某一加速度向上拉升，他将会感到自己的脚被压到地板上。如果此时，他抛出一个物体，那么该物体也将会以加速运动落在地板上，就如同他站在地球上一样。他没有任何方法能够区分，自己是受到引力的作用，还是受到向上加速度的作用。

　　爱因斯坦称之为“等效原理” （the equivalence principle） 。以局域效应来看，引力和加速度是等效的。因此，二者是同一种现象的不同表现形式， 即可以同时对加速度和引力作出解释的某种“宇宙场” （cosmic ?eld） 。

　　接下来，爱因斯坦花费了8年时间，把这个自由落体者思想实验，改写成为物理学史上最优美、最惊艳的理论。在此其间，爱因斯坦的个人生活也发生了巨大的改变，他与妻子的感情破裂，独自一人居在德国柏林，他不再是瑞士专利局的一名职员，而是成为了一名教授及普鲁士科学院（Prussian Academy of Sciences）的院士，不过后来，他开始渐渐疏远普鲁士科学院的同事，因为在那里，反犹太主义的浪潮正在不断高涨。

　　去年，美国加州理工学院和普林斯顿大学共同决定，将爱因斯坦的文稿档案上传至互联网，让人们可以免费了解在这段时期中，爱因斯坦个人生活及对宇宙的观念的变化历程。当我们阅读档案，看到1907年年底爱因斯坦匆匆记下“一种基于相对论原理对加速度和引力的新思考”时，似乎可以感受到他当时的激动与兴奋。但当读到， “几天之后他以准备工作不正确、不严密、不清晰”为由，拒绝了一家电力公司的交流电机专利申请” ，爱因斯坦的暴躁与厌倦也跃然纸上。

　　接下来的几年，充满了戏剧性，因为一方面，爱因斯坦要争分夺秒地赶在竞争对手之前，找到描述广义相对论的数学表达式；另一方面，他又要与分居的妻子在财产及探视两个儿子的权力方面作抗争。而到了1915年，爱因斯坦终于达到了事业的巅峰，提出了广义相对论的完整的理论形式，永远地改变了我们对整个宇宙的理解。

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