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既然在界定時(shí)間旅行時(shí)使用的“時(shí)間”這個(gè)詞模棱兩可，我們可以進(jìn)一步將外部或物理時(shí)間與內(nèi)部或個(gè)人時(shí)間區(qū)分開來（這仍然是劉易斯的方法）。在普通世界里，外部時(shí)間和個(gè)人時(shí)間相一致;但在時(shí)間旅行者的世界里，卻不是這樣的。因此，有了這兩種時(shí)間感，我們就可以根據(jù)時(shí)間旅行者的個(gè)人時(shí)間不等于外部時(shí)間來進(jìn)一步解釋時(shí)間旅行的發(fā)生。大多數(shù)（但不是全部）時(shí)間哲學(xué)涉及外部時(shí)間。為了自然時(shí)間旅行的目的，我們需要對外部時(shí)間及其如何變化的科學(xué)理解。 牛頓宇宙論 
牛頓認(rèn)為，空間、時(shí)間和運(yùn)動是絕對的，即整個(gè)宇宙是一個(gè)統(tǒng)一的慣性坐標(biāo)系，時(shí)間按照永恒的速度均勻地通過這個(gè)坐標(biāo)系，與任何外部因素?zé)o關(guān)。在牛頓宇宙中，自然時(shí)間旅行是不可能的，空間或時(shí)間沒有自然時(shí)間旅行可以利用的屬性或形貌。威爾斯筆下的時(shí)間旅行故事，超越了牛頓物理學(xué)的界限，是非科學(xué)時(shí)間旅行的范例。 一些哲學(xué)家和科學(xué)家反對絕對空間、時(shí)間和運(yùn)動的概念，尤其是萊布尼茲、貝克萊和馬赫。馬赫駁斥了牛頓的觀念，認(rèn)為時(shí)間并沒有什么實(shí)質(zhì)性的內(nèi)容，“我們根本沒有能力利用時(shí)間測量事物的變化。恰恰相反，時(shí)間是一種抽象，只有通過事物的變化我們才能認(rèn)識它”。對馬赫來說，變化比時(shí)間更為根本。我們談?wù)摃r(shí)間“過去”，其實(shí)是我們注意到周圍的事物在運(yùn)動和變化，似乎有某種潛在的流動物質(zhì)，比如說河水，在伴隨這些變化發(fā)生。我們之所以那樣說，只是因?yàn)槟菢诱f方便而已。我們對時(shí)間進(jìn)行抽象，以便有一種標(biāo)準(zhǔn)的測量工具對變化進(jìn)行量化。當(dāng)時(shí)，馬赫的這些觀點(diǎn)對年輕的愛因斯坦產(chǎn)生了很大影響。1905年，愛因斯坦發(fā)表了他著名的狹義相對論論文，開始轉(zhuǎn)變我們對空間、時(shí)間和運(yùn)動的理解。 狹義相對論 狹義相對論有兩個(gè)規(guī)定性原則：相對原則和光速的不變性。簡單地說，相對原則就是物理定律對任何慣性觀察者來說都相同。如果一個(gè)觀察者的軌跡呈勻速，不受任何力的影響，那么他就是一個(gè)慣性觀察者。光速的不變性是說所有的慣性觀察者測量到的真空中的光速都是3×108米/秒，與他們的速度無關(guān)。這個(gè)原則隱含在麥克斯韋的電磁學(xué)方程式（1873年）里，被邁克爾遜—莫雷干涉儀實(shí)驗(yàn)（1887年）證實(shí)。 第二個(gè)原則深刻地影響了宇宙的模型，光速的常性違背了牛頓物理學(xué)。狹義相對論的光速常性取代了牛頓宇宙中時(shí)間和距離的常性，空間的間距（像長度）和時(shí)間的間距（以及運(yùn)動）不再是絕對數(shù)量?，F(xiàn)在，我們不再說一個(gè)物體處于一個(gè)具體位置而沒有一個(gè)具體的時(shí)間，而是說一個(gè)事件，其位置和時(shí)間不可分離，我們可以用一個(gè)新數(shù)量聯(lián)系兩個(gè)事件：時(shí)空間隔。對任何兩個(gè)事件來說，其時(shí)空間隔對所有慣性觀察者來說都是一個(gè)絕對數(shù)量（即同值）。要想將這個(gè)新的量視覺化，就得構(gòu)建時(shí)空圖（閔可夫斯基圖），圖中的事件由其空間位置（通常局限于一維）和時(shí)間限定。因此，時(shí)空間隔可能是空（與光的軌跡平行，呈45°角）、類空（時(shí)間無變化或基本無變化）或類時(shí)（空間位置無變化或基本無變化）。 狹義相對論會給時(shí)間旅行帶來什么樣的后果呢？首先，我們沒有了同時(shí)性的常識概念。比如說，對同一個(gè)事件，如果一個(gè)觀察者的慣性坐標(biāo)系相對另一個(gè)觀察者以某種速度移動的慣性坐標(biāo)系靜止不動，那么這個(gè)事件就發(fā)生在兩個(gè)不同時(shí)間。其次，處于相對靜止慣性坐標(biāo)系的觀察者可以確定兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，而處于相對移動慣性坐標(biāo)系的觀察者會認(rèn)為相同的兩件事發(fā)生在不同的時(shí)間。因此，沒有通用的或絕對的外部時(shí)間，我們只能說在自己的參照系內(nèi)的外部時(shí)間。如果參照坐標(biāo)系沒有同時(shí)性，就意味著我們可能體會到時(shí)間膨脹。如果你的參照系以光速的1/n移動，那么你的外部時(shí)間就會慢于相對你的固定參照系的外部時(shí)間。如果我們想象有人在固定參照系內(nèi)偷窺你參照系里的時(shí)鐘，他就會看見你的時(shí)鐘走得很慢。因此，在狹義相對論中就能找到一種自然時(shí)間旅行。比如說，有一名宇航員以接近光速在宇宙中旅行了一定距離，他的個(gè)人時(shí)間還是同樣的速度;當(dāng)他到達(dá)目的地然后返回時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)他度過的外部時(shí)間相當(dāng)不同。他認(rèn)識的人都比他老了許多，甚至已經(jīng)去世幾百或幾千年。 這樣的故事在物理學(xué)意義上符合愛因斯坦的狹義相對論宇宙，可是我們的技術(shù)能力還達(dá)不到那個(gè)水準(zhǔn)。然而，這些故事仍是自然時(shí)間旅行的范例，符合已知的物理定律，沒有例外。但是作為時(shí)間旅行故事，要求時(shí)間旅行者同時(shí)是普通的旅行者，這類自然時(shí)間旅行者只能到未來旅行。因此，依照狹義相對論的自然時(shí)間旅行的局限過多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是我們通常所說的時(shí)間旅行。 另外，還有其他限制，比如說質(zhì)能當(dāng)量。這個(gè)原理發(fā)表在愛因斯坦1905年的第二篇論文里。其意思是，有一種能量，它等于靜止粒子的質(zhì)量。當(dāng)質(zhì)能當(dāng)量與能量守恒定律和諧時(shí)，就會發(fā)現(xiàn)如果一個(gè)質(zhì)停止存在，其能當(dāng)量必須以某種形式出現(xiàn)，即質(zhì)與能可以互換。實(shí)際上，只有光子這樣的無質(zhì)物體才能以光速移動，它有動能但沒有質(zhì)能。凡是有質(zhì)的物體，比如人和飛船，一般而言是不能達(dá)到光速的，因?yàn)檫@需要無限量的能。 廣義相對論 在狹義相對論中，所有的慣性坐標(biāo)系都等值，雖然這是有用的近似，但從這里看不出如何對慣性坐標(biāo)系進(jìn)行解釋。馬赫說，質(zhì)的分布決定著空間和時(shí)間?？墒牵侨绾螞Q定的呢？關(guān)于這個(gè)問題，愛因斯坦于1916年在他的廣義相對論里做了解答。狹義相對論實(shí)際上是廣義相對論的一個(gè)子集。廣義相對論考慮到了加速的參照系（即非慣性坐標(biāo)系），因此，考慮了重力現(xiàn)象。時(shí)空的形貌是由質(zhì)的分布形成的，呈動態(tài)，可以彎曲，而質(zhì)“告訴”時(shí)空的某個(gè)區(qū)域如何彎曲。同理，時(shí)空區(qū)域由此產(chǎn)生的幾何決定著該區(qū)域內(nèi)質(zhì)的運(yùn)動。 廣義相對論的基本原則是等價(jià)原則，即重力和加速度是表示相同現(xiàn)象的兩個(gè)名稱。當(dāng)我們看到宇航員在地球上空沿軌道飛行時(shí)，不能說那是一個(gè)沒有重力的環(huán)境。這是因?yàn)樗匀惶幱诘厍蛞鲋畠?nèi)的自由下落狀態(tài)，但由于在區(qū)域慣性坐標(biāo)系中，所以感覺不到自身質(zhì)的重量。 廣義相對論有一種古怪的效果，即光在接近物體時(shí)會彎曲。這看上去似乎有點(diǎn)奇怪，因?yàn)槲覀冞€記得光是沒有質(zhì)量的。光為什么會受引力的影響？光總是直線運(yùn)行的，它之所以彎曲，是因?yàn)闀r(shí)空幾何在任何質(zhì)量附近都是非歐幾里得幾何。廣義相對論的另一個(gè)古怪效果是引力影響時(shí)間。想象一個(gè)勻速系，比如說引擎燃燒期間的火箭，在廣義相對論中，火箭底部或尾部的觀察者（取決于你想怎樣看它運(yùn)動）看到的火箭頂端或前部的時(shí)鐘似乎走得快。根據(jù)等效原理，地球海平面上的時(shí)鐘比珠穆朗瑪峰峰頂上的時(shí)鐘走得慢一點(diǎn)兒，因?yàn)榫嚯x質(zhì)中心越遠(yuǎn)，場的強(qiáng)度就越弱。 
廣義相對論下的自然時(shí)間旅行可能嗎？有可能，而且有些故事還相當(dāng)古怪。雖然大多數(shù)時(shí)空看上去比較平坦，或者有輕微的起伏輪廓，但是物理學(xué)家意識到了一個(gè)不同尋常和極度拓?fù)涞臅r(shí)空區(qū)域，比如旋轉(zhuǎn)的黑洞。黑洞是恒星完全坍塌時(shí)遺留下來的實(shí)體，是引力戰(zhàn)勝了其他所有的力，這是廣義相對論方程式的解決方案預(yù)言的。黑洞的奇點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)可以越過的圓環(huán)或環(huán)面，這一點(diǎn)與靜態(tài)的黑洞不同，靜態(tài)黑洞的奇點(diǎn)無法穿透。勇敢的宇航員如果能置身于黑洞迅速旋轉(zhuǎn)的中心平面附近（而不掉入其中心），就能享受一次極其不同凡響的時(shí)間旅行。在屬于自己的短暫一瞬間，這位宇航員會看到黑洞外宇宙的極長的時(shí)間跨度，他的時(shí)空區(qū)域會遠(yuǎn)離周圍宇宙的外部時(shí)間，可以想象，他能目睹幾千年、幾百萬年甚至幾十億年的過去。這是一種自然的時(shí)間旅行，然而，宇航員（即時(shí)間旅行者）的活動受到嚴(yán)重的限制，因?yàn)樗荒芟蛑磥砺眯小?br> 廣義相對論的解決方案是否允許旅行到過去呢？允許，但不像旋轉(zhuǎn)的黑洞那樣，只是理論上有這樣的可能性。 愛因斯坦在普林斯頓的鄰居庫爾特·哥德爾就研究出了這樣一個(gè)方案。1949年，哥德爾發(fā)現(xiàn)封閉時(shí)空的有些世界線能夠大幅度彎曲，甚至可以形成一個(gè)時(shí)空環(huán)，他將之稱為封閉類時(shí)曲線（CTC）。假如你是CTC上的一個(gè)物體，你最終會回到你離開的那個(gè)時(shí)空位置。也就是說，你會回到過去。哥德爾的CTC時(shí)空描繪的是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的宇宙。因此，對CTC來說這是一個(gè)極端的例子，并不是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的解決方案，因?yàn)槟壳暗挠钪胬碚撜J(rèn)為宇宙是在膨脹，而不是在旋轉(zhuǎn)。 自然時(shí)間旅行可以利用的另一類時(shí)空區(qū)域是蟲洞，它能連通兩個(gè)時(shí)間區(qū)域和兩個(gè)空間區(qū)域。物理學(xué)家基普·索恩推測，如果能夠抓住一個(gè)帶有蟲洞入口的黑洞，就可以利用它實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行，其速度會接近光速。因?yàn)闀r(shí)間膨脹，移動的黑洞要比蟲洞另一端的靜止黑洞老化得慢一些。兩個(gè)黑洞最終將非同步化，然后存在于不同的外部時(shí)間。自然的時(shí)間旅行者就能利用這個(gè)固定的黑洞，提前幾年從他出發(fā)時(shí)的那個(gè)黑洞里出來。如果蟲洞自然存在，許多科學(xué)家認(rèn)為它很可能相當(dāng)不穩(wěn)定（尤其是考慮到量子效應(yīng)時(shí)），這對我們的時(shí)間旅行是很不利的。所以，自然的蟲洞需要增加負(fù)能量之類的外部因素才能被當(dāng)作時(shí)間機(jī)器加以利用。 戈特于1991年提出的另一類CTC使用了兩個(gè)無限長且極快移動的高密度材料的宇宙弦。原子粗細(xì)的兩根弦平行反向移動，在相對經(jīng)過時(shí)，會產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲的時(shí)空，使得時(shí)空實(shí)現(xiàn)閉合。利用這一特性，自然的時(shí)間旅行者在最合適的時(shí)刻就可以在兩根弦上來回飛行。如果操作得當(dāng)，他就會提前回到動身的空間點(diǎn)。 上述的CTC擁有一個(gè)共同特征，即它們都將CTC描述為業(yè)已筑入宇宙的廣義相對論的解決方案。自然的時(shí)間旅行者必須通過普通的旅行找出這些結(jié)構(gòu)，然后加以利用。然而，截至目前，我們在廣義相對論的解決方案中還沒有找到類似的CTC演變。不過，人們通常認(rèn)為存在這樣的解決方案，它們需要特別的物理約束，在有限的時(shí)空區(qū)域內(nèi)創(chuàng)造一個(gè)奇點(diǎn)就是其中之一。進(jìn)入這個(gè)時(shí)間旅行的可能區(qū)域必須跨越柯西邊界，即其內(nèi)部物理定理未知的奇點(diǎn)沙漏形（兩個(gè)交叉的宇宙弦）邊界。如果能夠建造這樣一個(gè)CTC，第二個(gè)約束會限制時(shí)間旅行者能夠進(jìn)入的外部時(shí)間——CTC創(chuàng)建日之前的時(shí)間是旅行無法到達(dá)的。 廣義相對論下的自然時(shí)間旅行面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。前面已經(jīng)提及的一個(gè)難題是穩(wěn)定性。能量問題也同樣嚴(yán)峻，建造并維持可用的蟲洞需要奇異量的外來物質(zhì)（或者類似于大爆炸早期的結(jié)構(gòu)和條件，如負(fù)張力邊界層、引力真空極化等），宇宙弦需要無限長的超密度物質(zhì)管道。然而，盡管存在這些技術(shù)難題，但自然時(shí)間旅行到過去還是符合廣義相對論的。 一些物理學(xué)家（包括霍金）認(rèn)識到了沿CTC回到過去的時(shí)間旅行的另一個(gè)問題：在因果循環(huán)內(nèi)維持物理上的一致性。在這一方面，量子理論的有些解釋具有明顯的優(yōu)勢。 量子論解釋 量子理論的有些方面與時(shí)間旅行相關(guān)，尤其是量子引力場。大自然的基本力（強(qiáng)核力、電磁力、弱核力及引力）有相對論的量子描述，但將引力和量子理論合并的種種嘗試至今仍未成功。在目前的標(biāo)準(zhǔn)原子模型中，所有力都由被稱為規(guī)范玻色子的虛擬粒子攜帶?？梢哉f，光子在“真”粒子之間“攜帶”電磁力，引力子雖然探測不到，但是它“攜帶”引力。量子理論中引力的這種粒子特性與廣義相對論中的幾何特性非常不同。調(diào)和這兩種描述是一個(gè)積極的研究領(lǐng)域，許多人希望引力能夠像其他基本力那樣得到解釋。這將最終形成“萬有理論”。 科學(xué)家對量子理論提出幾種解釋，其核心問題是糾纏。兩個(gè)量子系統(tǒng)進(jìn)入暫時(shí)的物理相互作用狀態(tài)，通過已知力相互影響，然后分離。此時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)不能再用最初交會時(shí)的相同方式進(jìn)行描述。如果使用某種測試設(shè)備測量旋轉(zhuǎn)等物理特性，就會發(fā)生微狀態(tài)和宏?duì)顟B(tài)糾纏。按照正統(tǒng)解釋，就是狀態(tài)向量（描述糾纏系統(tǒng)的方程式）降低或從一種重疊跳躍到實(shí)際觀察到的狀態(tài)之一?？扇绻环N糾纏狀態(tài)“崩潰”會怎么樣？正統(tǒng)的解釋說不知道，唯一可描述的是觀察到的效果，這正是波方程式或狀態(tài)向量所做的事。 其他解釋認(rèn)為，狀態(tài)向量根本不會“崩潰”，或者認(rèn)為狀態(tài)重疊所有的可能結(jié)果都會通過某種方式成為現(xiàn)實(shí)。這種多世界版本的解釋認(rèn)為，每個(gè)這樣的事件發(fā)生時(shí)，涉及糾纏狀態(tài)的宇宙會“剝落”形成與該宇宙完全相同的副本。因此，在“崩潰”的任何時(shí)刻都會存在兩個(gè)或更多幾乎完全相同的宇宙，可以互見、同樣真實(shí)，并且隨著越來越多的糾纏事件進(jìn)一步分裂。 許多自然時(shí)間旅行故事利用了這些多世界概念。比如在《星際穿越》中，當(dāng)“永恒”號穿過蟲洞，就不必跨越我們宇宙的時(shí)空間隔，而是從“我們的”宇宙跳到了另一個(gè)宇宙。多世界宇宙中的自然時(shí)間旅行者在返程時(shí)將進(jìn)入一個(gè)不同的世界歷史。這類故事暗示，我們可以通過時(shí)間旅行改變歷史事件的結(jié)局。因此，我們接下來要面對的，是因果關(guān)系和個(gè)人同一性的許多矛盾。 |
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