时空穿梭原理

首先让我们来看一个新闻，事情发生在2002年4月，标题是“任意穿梭过去未来？美国教授今秋启动时光机器”。美国康涅狄格大学物理学教授马利特10岁时承受丧父之痛，他的父亲是一名烟民并死于心脏病。因此他一直希望能发明出一部时光机，回到过去提醒父亲“吸烟危害健康”。

马利特便醉心研究黑洞、虫孔和其它跟时间有关的理论，最近甚至着手制造一部时光机。47年后，马利特认为自己已找出时光旅行的秘密。他正在制造一部时光机，用来将物体传送到将来或过去，他声称这部机器可以将一个原子以至一个人的任何东西传送。他希望在秋天能造出时光机的原型，然后着手进行实验。马利特计划在实验中，用时光机传送一个亚原子粒子。他认为激光束光环可以扭曲环内的空间，引力会迫使中子侧向一边旋转。马利特说若增加能量，另一个中子将会出现，这粒中子是第一粒中子由未来前来探访过去的自己。

时空穿梭理论上可行。看来似乎有些荒诞。但导致了这些科学家如此疯狂的正是爱因斯坦的相对论给他们提供了理论上的支持。爱因斯坦在相对论中指出，在我们的宇宙之中，时间与空间是相互交迭的，当物体的质量与速度不断增加，其存在的时间和空间也将随之变化。以前一些实验，亦证明了它的真确性，其中科学家利用一个粒子加速器把粒子加速到接近光速，便发现这些粒子要比在实验室放着的其它粒子衰减的慢。

在爱因斯坦的相对论中提到了一种新的空间结构--四维空间，它在我们传统的三维世界之上又增加了一维，传统的三维空间论里，我们可以给任何物质以一个相对参照系内的坐标，以表明它的空间位置。这是我们可以理解和接受的，就象理解长宽高一样。但是在此之上再加一维，我们恐怕难以理解和接受。而爱因斯坦也没有就此事留下足以让人充分肯定的说明和“样板工程”，而相反，他给我们留下了足够的想象和探索的空间。在爱因斯坦的相对论里，光速是一个非常重要的元素，质能转换的公式，和尺缩钟慢以及时光倒流理论等等，光速及其等量数值都有身影在其中。“当我们以接近光速的速度移动时，我们的标尺将会缩短、时钟将会变慢”爱因斯坦在相对论里为我们描述“当我们以光速移动时，时间将不再流动；而我们开始以超越光速的速度移动时，时光将会倒流！”

时光旅行一直是科幻小说的流行主题。非科幻的文学影视作品中，也有把时光旅行作为主线贯穿始终的。可是，我们真能造部机器，把人传送到过去或未来吗？

澳大利亚麦夸里大学天体生物中心的教授保罗·戴维斯就此予以了肯定的回答。近期在接受媒体采访时，戴维斯坚定地表示：“时间旅行是可行的，而且我们知道如何去完成它。”

采访过程中，戴维斯用精炼的语言讲解了超越时空的原理和如何制造时间机器。

飞跃未来

人们对时间的最佳认识是从爱因斯坦而来。在“狭义相对论”中，爱因斯坦提出，我们测到的两个事件的时间间隔，会取决于观察者如何运动。重要的一点是，做不同运动的两位观察者感受同样两个事件，这两个事件间流逝的时间并不相同。这个所谓的“时间膨胀”效应可以利用“孪生子佯谬”来叙述。假设有一对孪生子，哥哥登上一艘火箭以高速驶往邻近的恒星，调个头，然后飞回地球，而弟弟则始终留守家园。就哥哥而言，这趟旅程也许耗时一年，可是当他回来踏出宇宙飞船时，会发现地球上已历经１０年了。他的兄弟已经比他老了９岁。这例子可说明其中一类有限制的时光旅行，实际上，哥哥已经跃入９年后地球的未来。

每当两个观察者之间有相对运动时，“时间膨胀”的效应就会发生。但在日常生活中，我们不会感受到这种奇异的时间扭曲，因为此效应只在运动接近光速时才显著。就以飞机的速度来算，时间膨胀在一般的飞行旅程中也只有数纳秒而已，人根本感觉不出来。不过，精确的原子钟确实能记录这个时间差。所以，到未来旅行是个已经证实的事情。此外，重力是另一个进入未来的办法。在爱因斯坦的广义相对论中，他预言了重力会让时间变慢。令人失望的是，这种效应在地球上也极其微小。不过在总质量很大但体积很小的中子星表面，重力场强到会让时间比地球时间延迟３０％。黑洞更是时间扭曲的极端范例：在它的表面上，时间相对于地球而言是静止不动的，因此，如果有位航天员可以贴近黑洞再折回而毫发无伤的话，那他应可跃入遥远的未来。

跳回过去

那么又如何回到过去呢？这可比去未来更需技巧。“相对论”允许这一旅行发生在特定的时空结构里：一个旋转的宇宙，一个旋转的柱体，以及虫洞（即时空隧道或连接两个不同宇宙空间的通道）。

数学家哥德尔１９４８年得出了一个爱因斯坦重力场方程式的解，用来描述旋转的宇宙。哥德尔的解在当时只被视为数学游戏，没有人认真看待。此后，其他科学家先后发现了另外的“跳回过去”的方式，例如１９７４年在美国杜兰大学的提普勒(Frank J Tipler)就曾做过计算，一个质量很大、无限长的圆柱体，若沿着轴心以接近光速自转，便可让航天员造访他自己的过去。不过，真正吸引人的是２０世纪８０年代中期出现的“虫洞”概念。

在科幻小说里，虫洞也被叫做“时空隧道”，因为它们为空间中相距甚远的两点之间提供了一条快捷方式。跳进虫洞，你也许能在瞬间后在星系的另一头出现。虫洞符合广义相对论，重力会扭曲时间，对空间亦然。这个理论就好像我们可以在两点间另辟蹊径，或是挖凿隧道使之相连一样；数学家把这种情形称作“多连通空间”。正如贯穿山丘的隧道会比绕山而行的道路要短，一个虫洞也可能会比平常空间中的一般路径短。科学家发现，一旦可以制造出稳定的虫洞，那它就可以很容易转变成一部时光机器。一位穿越虫洞的航天员，也许不只是在宇宙的某个地方出现，他还可以在某个时刻出现，而这“某时”可以是未来，或是过去。

制造“时空隧道”

戴维斯说，要使虫洞可以通行，它就得包含一种能产生反重力的东西，从而能抗衡巨大质量系统因自身重量而内爆成黑洞的自然趋势。有人设想，要改造虫洞以进行时光之旅，可以把它的一个开口拖往中子星，并安放在其表面附近。中子星的重力会使虫洞开口处的时间减慢，这样就会使虫洞两端的时间差逐渐累加。

“如果我们接着把两个开口安置在适宜的空间位置上，这个时间差就会冻结住。假设此时间差是１０年，一位单向穿越此虫洞的宇航员就会跃入１０年后的未来，而逆向穿越的宇航员就会跃入１０年前的过去。只要第二位宇航员以高速经由平常的空间返回出发点，则他的确有可能于尚未出发前便返回家园。换句话说，空间中的一条循环也有可能成为时间的循环。”戴维斯说。

以此为依据，戴维斯在《如何制造时间机器》一书中设想了制造虫洞时光机器需要的三个步骤：第一，寻找或制造一个虫洞：这是连接空间中两地点的一种隧道。第二，使虫洞稳定：向其中注入负能量。第三，拖拽虫洞：假设有一艘宇宙飞船，能够将虫洞的两个口分开。并将其中一个开口放置在中子星表面附近。

背景资料：保罗·戴维斯

出生在英国。他的研究领域主要为宇宙论、引力和量子场理论，特别是黑洞和宇宙起源。保罗·戴维斯与学生尼古拉斯·伯瑞尔合作的专著《扭曲时空中的量子场》被广泛采用。他已经完成了２５部科普和学术专著，著作被翻译为２０多种语言。除科研外，戴维斯教授是一位著名的作家、播音员和公众演说家。