人类最渴望的时间穿越，有望实现吗？

　　时间是什么？有人说，时间是无情的刻刀，在一切事物上留下抹不去的痕迹；也有人说，时间是母亲温柔的双手，抚平我们的一切痛苦；在不同人的眼中，时间有着不同的形态，但不变的是日月既往，不可复追。随着人类文明的进步，相对论的诞生，让人类看到了些许解开这亘古不变束缚的希望，无数科学家和文学家，从各种角度，向时间展开了战斗。现如今，时空穿越已然是常见的小说选题，我们每个人在面对考试失利、投资失败、意外危险的时候，往往会情不自禁的想到，要是能够回到过去就好了。这种心理连很多大人物都难以免俗，相传纳粹德国曾经研发一款时间机器，这件神奇的发明便是纳粹钟：
　　丨纳粹钟
　　当它被激活时，其效果区域延伸150至200米。在该区域内，晶体会在动物组织中形成，血液会凝结并分离，而植物会分解成油脂状物质。在该项目中，7位科学家在测试过程中死去。纳粹为了掩人耳目，杀死了66名参与该项目的科学家。希特勒让其手底下精英科学家放弃了即将研制成功的原子弹，将精力放在了这里的一个神秘的武器上，以期扭转危机的战局。
　　有关这个装置，英国航空记者NickCook所著的《TheHuntforZeroPoint》（《寻找零点》）与波兰作家伊戈尔维特科夫斯基发表的《PrawdaOWunderwaffe》（《奇异世界的真相》）中均有所讲述。纳粹钟真正的设计目的已经随着纳粹帝国的毁灭被掩埋在历史的深处，但人类对时间穿梭的想象和探索却也从未停止。
　　现在，让我们稍稍把目光拨回，来看一看面对时间的第一位挑战者，科幻先驱赫伯特乔治威尔斯。
　　Part01
　　《时间机器》
　　赫伯特乔治威尔斯（HerbertGeorgeWells，18661946），英国著名小说家，新闻记者、政治家、社会学家和历史学家，与儒勒凡尔纳并称科幻小说之父。
　　丨赫伯特乔治威尔斯
　　威尔斯的《时间机器》于1895出版，而此时距离爱因斯坦提出狭义相对论还有10年，而广义相对论更是20年之后方才完成。身处十九世纪末的威尔斯，就已经借小说主人公时间旅者之口，展示了他将时间作为空间第四维的时空观：
　　说到这里，时间旅者稍作停顿，以便众人正确领会他的言论。科学家们非常清楚，时间只是空间的一种形式。这是一份现在流行的科学图解，是气象记录。我手指着的这条线标明了气压的变化情况。昨日白天气压攀升，夜间回落，今天日间再次上升，直到现在这个位置。我敢肯定，气压计中的水银并未遵循公认的三维空间中任一维度移动。但它必定是沿着某一特定轨迹运动，由此判断，这一轨迹就是时间维度。
　　在威尔斯的构想中，时间轴的改变体现在空间运动时的位移，空间位移的存在使时间旅行成为可能，而穿越时空有赖于某种工具。镍制、水晶、石英等材质，操纵杆、螺丝、仪表盘指针等零件，乃至装置启动时黄铜和象牙转成的漩涡，整个构想中的机器随处镌刻着英国维多利亚时代的烙印。
　　丨电影《时间机器》截图
　　小说中，主人公乘坐自制的时间机器，穿越至八十万年后。此时，人类早已异化成两个分支，步入衰颓期。由于过于养尊处优，生活在地上世界的埃洛伊人（Eloi）变得娇小孱弱，智商退化，害怕黑暗，成为徒有其表的傀儡。藏匿于地下世界的莫洛克人（Morlocks）则过着穴居生活，他们终日劳作，对光线极其敏感，夜晚出来觅食，而埃洛伊人正是他们的盘中餐。
　　这番触目惊心的景象，显然是对当时资本家和底层大众阶级对立的影射，也蕴藉着威尔斯对人类命运盛极而衰的深切忧虑，物种演变的进程始终朝向积极的一面吗？人类社会的明天会变得更好吗？这一系列关乎未来的思考和追问，作者给出了悲观的答案。
　　总体来说，尽管书中尽可能的对时间机器进行科学化的描摹，但因为缺乏理论基础，而作者确实也难以逃脱当时时代的局限性，因此显得不是那么硬。但从另一方面来说，作者笔下的时间机器并不是全书的重点，而是他表达对人类未来担忧的钥匙。
　　Part02
　　爱因斯坦与相对论
　　现今我们对时间机器的构想，其原理大多来自相对论，因此，让我们来简单了解一下相对论。在相对论提出之前，我们对世界的认知便是经典物理的绝对时空，但这看似将宇宙的规律似乎尽在掌握之中的体系出现了一丝瑕疵，那便是光。
　　1865年，麦克斯韦的《电磁场的动力学理论》证明了电磁波的传播速度只取决于传播介质的性质，为光速不变提供了理论依据。这之后的1890年，赫兹根据《电磁场的动力学理论》，明确提出电磁波传播速度（光亦是电磁波的一种）与波源运动速度无关，此观点的理论上虽无破绽，却与传统物理学中的伽利略变换原理（也叫速度叠加原理：两物相向运动速度相加，同向运动速度相减）形成巨大矛盾。这之后，洛伦兹、拉摩、彭加勒等科学家试图解释以上矛盾，但始终未能跳出绝对时空观的框架，没有给出逻辑自洽的解释。
　　太多物理学家为了解释这个矛盾而绞尽脑汁，爱因斯坦也是如此。某一天爱因斯坦灵光乍现，当他发现按照传统思维无论如何都找不到答案的时候，他决定把问题倒过来去思考：先不管现存的矛盾，直接假定（真空中）光速在任何情况下都是不变的，再根据其他运动力学定律在这个前提下去推导，看看会出现什么结果。
　　丨爱因斯坦与相对论
　　这些推导的结果汇集为1905年发布的《论动体的电动力学》，也就是我们熟悉的狭义相对论，在狭义相对论中爱因斯坦提出这样一个与时间相关的观点，即时间并不是永恒流逝的，时间与物体的运动速度存在一定关系。通俗来说，在狭义相对论定义的世界中，倘若你的速度加快，你就会感觉到时间变慢了。狭义相对论解决了光速不变与伽利略变换之间的矛盾，并构建了与传统不同的相对时空观。
　　但爱因斯坦呢并没有就此停下脚步，在1915年也就是狭义相对论提出的十年之后，爱因斯坦的再次扩充了他的相对论，所谓广义，便是相对论的研究范围从惯性系推广到非惯性系，同时把被狭义相对论排除在外的万有引力也囊括了进来。
　　为了做到将引力和加速度引入相对论，爱因斯坦又进行了大胆的假设：认为引力质量等效于惯性质量，这便是等效原理。对于等效原理的论证，爱因斯坦是通过一个著名的假想电梯实验来实现的。
　　丨电梯实验
　　爱因斯坦假想电梯实验有一个观测者封闭在电梯之内，如果电梯是静止在均匀的引力中，里面的人所用任何测量行为都等于在真空中，拿着电梯朝着反方向以相同的加速度大小运行的效果。
　　还可以取另外一种情况，很可能电梯是在引力场中做自由落体的运动，而这个过程等效于这个电梯在真空当中做匀速运动或者是静止运动。加速度与重力等效。通俗地说就是在一个系统内部，任何科学仪器都无法判断质量所产生的重力，到底是由加速度产生的还是由万有引力产生。
　　所以按照这样一个实验，认为引力质量和惯性质量是无法区分的。到现在为止，也没有找到差异。基于等效原理，我们可以非常简单地理解光线在引力场当中产生的偏折，也可以理解在引力场当中电磁波产生的引力红移，还可以基于广义相对论对行星的运动加以理解。
　　经过多年的深入研究，人们对相对论的认知更为深入，对相对论进行了以下总结：相对论是一门处理特定时空几何下物质运动的理论。如果对所探究的时空没有限制，曲率可以取任意值，这时候便使用广义相对论。如果时空是平直的，没有弯曲，曲率为零，也就是我们所谓的闵氏时空（MinkowskiSpacetime），这时候便利用狭义相对论。可以说，狭义相对论所处理的时空是广义相对论所处理的更一般的时空在曲率为零时的特殊情况。
　　Part03
　　《星际穿越》与虫洞
　　在相对论提出后，科学家们探究了多种时间穿梭的理论可能，其中最为人所知的便是虫洞理论。
　　从数学上看，虫洞是爱因斯坦引力方程的一系列有特殊性质的解，它可以从高维空间连接我们所处空间的两点。在电影《星际穿越》中，物理学家罗密欧生动形象地向飞船驾驶员库珀展示了虫洞的原理，他拿起一张纸来表示我们的宇宙空间，然后用一支笔在纸上的两点之间画上了一条直线。这条直线就是平坦时空中两点之间最短的旅途。罗密欧随后将纸对折起来，然后用笔噗的一下洞穿了纸面，这样他就造出了一个连接两点间更短的旅程。旅行者不再需要从纸面上到达目的地，而只需要从铅笔创造出的洞里穿过去。
　　丨虫洞
　　有了理论基础，接下来便是寻找虫洞，根据爱因斯坦的广义相对论，物质的存在会使得空间弯曲。黑洞无疑可以剧烈地扭曲时空，但它是否足以在空间中打开一个供旅行者穿越的洞呢？答案是悲观的，即便黑洞连接着虫洞，但由于黑洞的潮汐力趋向无穷大，任何落入黑洞的物体，最终都会在奇点附近被撕得粉碎，而没有活着穿越到时空另一处的可能。
　　不过并不排除某些虫洞中的潮汐力比较温和，可以让旅行者顺利地通过的可能。但是虫洞本身也存在一个巨大的问题，它会在创生后迅速塌毁、消失。这个过程非常短暂，以至于任何旅行者都无法及时通过虫洞。面对这个问题，著名物理学家、诺贝尔奖获得者基普S索恩（他同时也是《星际穿越》的科学顾问）提出，倘若在虫洞中注入奇异物质，即负能量或者负质量的物质，就可以保持虫洞稳定张开。
　　由此我们的目光又转向了如何获取奇异物质。目前人们没有发现任何一种基本粒子具有奇异物质的特性，但在实验室里，研究者可以利用两块靠得极近的金属板之间的卡西米尔效应造出一点点负能量。即使科学家造出了大量的奇异物质，人们也不知道如何造出虫洞。索恩认为，比较可能的方式是静静地等待虫洞出现，再想办法用奇异物质稳定它、扩展它。
　　正因为对虫洞的利用是如此飘渺，以至于虫洞旅行方案的提出者索恩也非常怀疑以人类目前的力量能否使虫洞稳定地存在。在他参与制作的电影《星际穿越》时，便将利用虫洞的希望寄托在了极其发达的高级地外文明他们（they）身上，他们在电影设定中是存在于更高维度的生命，可以利用高维空间的力场维持虫洞的稳定。
　　对于高维可以这样理解，之前谈及黑洞的时候，提到过黑洞的引力会剧烈地扭曲其附近的空间。那么如果将空间想象成一张橡皮膜，被黑洞扭曲后的空间就有点像是橡皮膜上放了一块重物的样子。在现实生活中，橡皮膜是在三维的空间中弯曲。那么黑洞附近的三维空间是向哪里弯曲呢？弯曲的空间似乎自然地要求存在额外的维度。理论物理学家们有时会将我们所在的四维时空称作世界膜，它镶嵌在一个更高维度的超体中。
　　丨《星际穿越》中想象的高维空间
　　我们很难在直觉上理解四维空间的样子，但可以从低维度世界的现象中获取一定的经验。可以想象一个生活在二维世界的二维人，对于他来说，世界只有前后和左右两个维度。如果一个三维的球体，正好穿过这个二维的世界。二维人会在他的世界里看到一个圆。他可以围着圆走一周，测量这个圆的周长，但是他无法直观感知球体的体积。在球体穿过二维平面的整个过程中，二维人会看到一个圆出现，变大，再变小，最后消失。通过类比，我们可以想象一个四维的球体穿越三维空间的情景：我们会看见一个三维的球体出现、变大、再次变小直到消失。
　　看到四维球体的说法其实并不严谨，理论物理学家认为，四维世界的物体既不能反射电磁波，也不会发射电磁波，我们根本无法看见任何四维物质。唯一被认为能够和在高维度空间的物体相互作用的力是引力。当一个四维的物体穿过我们的世界时，我们只能通过它的引力效应感知到它。在《星际穿越》中，库珀和布兰德教授领导的NASA团队都注意到了各种引力异常现象，这就是高维文明在帮助地球人的过程中引起的引力效应。
　　倘若不借助电影中的高维生命，要如何进行时间旅行呢。从原理上讲，通往未来的时间机器相对容易制造。爱因斯坦的相对论有一个有趣的预言，高速运行的物体的时间会膨胀。虽然我们还没有办法造出光速的飞船，但科学家可以用大型粒子对撞机将基本粒子的速度加速到非常接近光速。一些不稳定的粒子，在高速运动的时候，衰变时间大大地增加了，和相对论的预言完全相符。
　　如果有一艘飞船以非常接近光速的速度离开地球，地球上的观察者就会发现，飞船上的时间流逝非常缓慢。对飞船上的宇航员来说，他们不会感到自己的时钟流逝有任何变化，但他们会发现自己到达目的地的距离缩短了。如果飞船的速度接近光速，宇航员甚至可以在很短的时间里漫游银河系，但当他们回到地球时，发现地球上的时间已经过去了几十万年。所以，驾驶员通过控制飞船的飞行距离，可以通往未来的任何一个时刻。
　　但光速飞船并不是一般意义上的时间机器，因为乘客在时间方向上的旅行是单向的，一旦飞到未来，就无法返回现在。基普索恩曾经设想，通过结合光速飞船和虫洞来制造时间机器。
　　他预设一个超级文明可以自由地移动虫洞的端点。那么首先，他们制造一个虫洞，洞口的一端在你家的后花园，另一端在外星人的飞船上。外星人可以用飞船以接近光的速度带着虫洞的一个端点飞离地球而不影响虫洞两端点的距离。在这个过程中，飞船上的时间的流逝变得缓慢，当飞船再次飞回地球时，虽然外星人的时间只流逝了几个小时，但地球上的时间可能已经过去了数千年。在这个过程中，外星人只是移动虫洞洞口的位置，而没有改变虫洞内部通道的距离，虫洞内部的时间流逝就会保持和地球上的时间一致。这样虫洞的两侧就出现巨大的时间差。如果外星人通过飞船上的虫洞进入你家的后花园，就会回到地球的过去。当然这些都是美好的想法，就算可以实现，也不能指望有好心的外心人帮助我们穿越。
　　总而言之，以目前的技术水平来说，时间旅行仅仅在理论上是可行的。但作为时间旅行过程中最为关键的组件虫洞，它的物理性质已经不允许宏观物体穿越，虫洞出入口黑洞的物理性质可以杀死试图穿越的人、破坏飞行器。虫洞中存在的奇异物质或高能光子，会将试图穿越的一切湮灭。在正质量物体试图通过的时候，虫洞的通道还很容易坍塌，需要负能量奇异物质去支撑。因此，即便二十世纪八十年代以来，有许多学者试图搞出可穿越虫洞的模型，乃至2007年出现了依靠膜宇宙学的多维空间让虫洞不需要质量就能存在的模型，但还有太多的问题没有解决。
　　但即使前路渺茫，我们仍没有停下脚步，面对宛若神明的时间，人类一次又一次的吹响了挑战的号角，正所谓老骥伏枥，志在千里，烈士暮年，壮心不已，只要梦想仍在，内心的丰盈和美好便会使我们重返年轻，正如《时间机器》那段对话：
　　我们都有自己的时间机器，不是吗？
　　记忆能把我们带回过去，而梦想让我们不断前行。
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