主题：323-Sean Carroll：怎样科学地进行时间旅行？ -- 万年看客

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非常感谢。今天能来Linda Hall图书馆作报告对我来说是了不起的体验。据我所知，这是世界上独一无二致力于科学研究的私人图书馆。刚才我有机会在楼下看到了许多旧期刊，浏览了稀有书籍等等。只有在这里才能享受这样的美妙特权。我很高兴看到他们举办公共讲座，特别是关于外星生命和外星人这样有趣的话题，而我对此几乎无话可说，所以一开始我想先道歉。我讨厌演讲人一上来就道歉，尽管如此我还是得这么做，因为我将要谈论的是时间旅行，特别是回到过去的时间旅行。显然这与超光速运动有关，显然这两个想法都与拥有超级技术的外星生命有关。这样的外星人能否扭曲空间和时间，以至于能够回到过去，在过去访问我们？我接下来要布置好舞台，谈论时间旅行的物理学原理，我们对于时间旅行知道什么不知道什么——事实上，我们不知道的东西简直多到令人尴尬，远比我们知道的东西多得多。然后我会让你来决定外星人能用这些知识做什么。

首先我要强调，时间这个概念本身就很迷人。时间贯穿了我们的日常生活。你们都知道“必须在七点钟到达”意味着什么，也知道该怎么做。但是时间也是一个谜，我们不知道时间在根本层面上的机制。为了量化这一点，牛津英语词典的研究人员发现“时间”是英语当中最常用的名词。如今我们不在乎字典说什么，只在乎互联网说什么，所以我在互联网上查了，我看了看各种流行词汇的谷歌搜索结果。空间比时间的搜索结果少得多，金钱比空间少得多——这一点确实令人鼓舞——乐趣与爱都是性的一倍还多，和平只有战争的一半——真的不太乐观，哈利.波特眼下网页数量虽少但却正在迎头赶上。最后足有将近十亿个网页提到了时间这个词，相当于地球上每六个人就对应一个谈论时间概念的网页。所以我们显然对于时间很感兴趣。我们尤其感兴趣的是回到过去的时间旅行。我们从电影、电视以及书籍等等虚构作品当中接触了很多关于时间旅行的情节。这是一个迷人的主题，我们采用各种不同的方式来时间穿越，跳进各种形式的箱子，或者从老变小地逆生长。显然我们出于某种原因痴迷于时间旅行。所以让我们从提问“为什么”开始。为什么思考回到过去的时间旅行这么有趣？是什么让我们这么喜欢思考时间旅行，一遍又一遍地将其纳入电影与小说情节？简而言之，时间旅行对于我们来说似乎充满了矛盾。只要稍微一想就会意识到，如果你能回到过去，就会发生坏事。比方说如果你回到过去，在你的父母见面之前就杀了他们，那么没了你父母你又是怎么生出来的？所以最简单的答案是你不能回到过去——还有问题吗？确实有，我的话还没说完。事实证明，你还可以想得更深入一些。关于时间旅行的简单想法确实会导致悖论，但是你必须决定这是否真的意味着时间旅行在逻辑上不可能实现，或者没有办法绕过这些悖论。我们可能做得更好吗？确实可以做得稍微更好一点。

我接下来的主张看起来像是在逃避问题，但是我们的思考必须遵守一条基本规则：没有悖论。换句话说即使能够回到过去，也不能改变过去。我必须着重强调这一点：据我们所知，即使可能回到过去，回去之后你能做的任何事情也都不能影响我们知道已经发生的事件序列。就像电视节目《迷失》中的角色所说：“无论发生了什么，都已经发生了。”过去与未来不同。我们认为我们可以做出关于未来的选择，你可以决定今晚吃什么，我们认为这是你被允许做的事情。我们不认为你今晚可以决定昨晚吃什么晚餐。

我们相信存在某种根本性的不对称，这就是过去和未来之间的差异。过去是确定的，已经发生了，刻在石头上了；而未来则是不确定的。时间旅行干扰了我们对过去和未来差异的思考方式，所以它才让我们感到困扰，并且为小说电影等提供了丰富的土壤。如果时间旅行是可能的，那就必然意味着某种宿命论：如果你的个人未来发生在过去，那么你在个人未来能做的事情就是有限的。好比说你知道某些事情已经发生了，比如你出生了，然后你说：“我可以跳进时间机器，回到我父母见面之前的那一刻，有什么能阻止我杀死他们或以某种方式阻止他们相遇呢？”答案是：“某种你不知道的东西。”这就像预言宣称哈利.波特与伏地魔之间必须得死一个，我们不知道这一点将会如何发生，但是肯定会发生。即使你可以回到过去阻止你的父母相遇——也许那是可能的——你也无法阻止他们生下你，因为我们知道你已经被生下来了。

我们之所以对此感到恼火，根本原因在于我们认为我们有自由意志。我们认为如果我们真的跳进时间机器回到过去，我们就可以自由选择阻止父母相遇，杀死他们，或者做一些不那么戏剧性、但是依然以某种方式造成改变的事情。但是我不得不告诉你们，我们认为的自由意志实际上只是一种物理学基本法则层面的近似。大多数物理法则都没有自由意志的立足之地。如果你知道某物正在做什么，如果你知道一盒气体、一个摆锤或者绕太阳运行的行星正在做什么，并且你知道物理法则，你就可以预测它们在未来会做什么。我们认为我们有自由意志的原因在于我们不掌握关于我们自己的信息。我们对宇宙的了解其实也不多，不过总还知道一点皮毛。但是我们肯定不知道我们在想什么，更不用说我们的朋友在想什么，更更不用说世界上其他人在想什么。所以当我们思考未来可能发生什么时，有大量的自由度向我们敞开，因此即使未来的确是确定的，这一点也无法帮助我们预测未来。很多人对决定论的想法感到不安，即如果我们掌握了宇宙系统当前的全部信息就可以预测未来。我告诉你们用不着瞎操心，决定论并不像古代智者那样庄严宣称：“未来将会发生这样的事，而且你无能为力。”决定论其实更像一个烦人的小屁孩跟你耍赖说：“我知道你接下来要做什么。”你说：“好吧，那你说我要做什么？”小孩说：“我不告诉你。”然后你做了，小孩又说：“我早就知道你要这么做。”这就是决定论在现实世界的体现形式。宇宙知道你要做什么，但是你不知道，而且宇宙也不会告诉你。你只知道过去发生了什么。

过去和未来之间存在不对称性，因为早期宇宙处于非常非常特殊的状态。如果你们对于这个话题感兴趣，我可以推荐许多好书给你们读。简而言之，过去和未来之间的差异可以归结为熵的高低。早期宇宙熵值很低，这意味着当时的宇宙更加有序，被安排得更加精确，存在边界条件，我们知道早期宇宙是什么样子。另一方面，据我们所知未来完全不受限制，我们不知道未来是什么样子。所以鉴于宇宙今天的情况和过去的边界条件，我们可以或多或少地弄清楚过去是什么样子，而我们无法弄清楚未来是什么样子。这就是为什么我们认为我们对于未来有自由意志，但是对于过去没有。问题在于，如果你进行时间旅行，从现在进入未来，然后再从未来绕回过去，那么过去和未来之间就没有清晰的分界。我们认为我们知道过去，而未来则是不确定的。如果你可以回到过去，这个理念就会遭到破坏。如果你能回到过去，那么你个人的未来就是全宇宙的过去，没法说哪一边才是确定的，或者我们能够以任何方式影响哪一边。所以你可以想象一段你有能力回到过去的连贯历史，但是这样的历史非常非常受限制。我们知道你的父母生了你，假如你能够回到过去拆散他们，那就像我们能够知道明年将会发生什么一样。这不是我们通常认为可以接触到的知识，但这就是时间旅行的所作所为。所以再说一次，简单的答案是时间旅行不可能成立。但是我们要更仔细地考虑这个问题。

话说至此我得宣布一条免责声明：我现在说的全都是经典力学的语言，也就是艾萨克.牛顿一听就懂的力学。但是如今我们知道经典力学并不是世界运作的根本方式。在经典力学之下还有量子力学。量子力学戏弄了我们对于决定论的想法。我们不能准确地预测未来，因为概率卷了进来。我们很有理由认为，当你在量子力学框架下观察某一个粒子时，这个粒子可以分散在许多位置，每一个位置观察到这个粒子的概率高低不同。当你观察这个粒子时，宇宙分裂成了多个副本。在一个副本当中，你在这里看到了这个粒子；在另一个副本当中，你在那里看到了它。换句话说，量子力学似乎意味着多元宇宙的存在。这至少在逻辑上为回到过去并干扰过去打开了可能性：你可以干扰一个与你实际成长的版本不一样的过去。画面上是本场讲座当中唯一一张关于量子力学的幻灯片，量子力学意味着真的可能存在多个世界，就像《迷失》第六季一样存在多条时间线。不同的事情在各自时间线上发生，它们在某种程度上是相等的。时间线也会分叉，即一个事件产生了两种结果，两个世界就此分道扬镳。如果这是真的，我们可以想象一个宇宙的时间线指向是从下到上，另一个宇宙的时间线指向也是从下到上。这两个宇宙在某个点之前完全相同。在一号宇宙当中你的父母相遇并且生下了你，你长大了，你的精神不大正常，成了一名疯狂天才。你建造了一台时间机器，你乘坐时间机器回到过去，然后你通过杀死你的父母来消除你的焦虑。但是你其实是在二号宇宙当中这样做，而你本人则继续存在于你抵达的二号宇宙当中。你现在是孤儿了，你现在不那么痛苦或者更痛苦了，而你的父母在这个宇宙当中已经死了，他们没有生下你。

这个事件序列至少在逻辑上是成立的。大卫.多伊奇就曾提出过这样的主张。他是一位非常受人尊敬的牛津物理学家，他试图指出——理论物理学家就喜欢这样做——这个事件序列对我们来说是可以想象的。但是没有人构想过实现这套事件的实际计划，没有人设计过从一个宇宙的现在前往另一个宇宙的过去的方案。如果你做到了，你出发的这个宇宙仍然存在，你不在了，但是整个历史仍然照常发生：你的父母仍然相遇了，你仍然出生了，你的父母仍然活着。你虽然不能改变你熟悉的过去，至少可以改变某个其他版本的过去。但是这一点没啥卵用，因为你熟悉的过去——你真正想改变的过去——并没有变，永远不会有悖论。如果你发明了涉及悖论的时间旅行场景，那么你就犯规了。

那么这些规则是什么？现在我们开始严肃地思考物理学。画面上这位不用我介绍，艾萨克.牛顿大家都认识。今天我第一次有机会浏览了牛顿杰作《自然哲学的数学原理》的初版，这是Linda Hall图书馆珍本藏品。牛顿就算没有促成他那个时代科学和数学领域的一切进步，至少也要认领七八成的功劳。正是这些进步使得我们构建了钟表宇宙的物理框架。有人说过，牛顿凭空想出他的古典力学理论，就像莱特兄弟在基蒂霍克一上来就建造了一架波音747。按理说牛顿那套理论体系需要几百年才能得到正确总结，但是他只花了几年就做到了。当时英格兰发生了瘟疫，他不得不离开剑桥躲在乡下，然后他就被苹果砸中了脑袋。画面上是牛顿提出的宇宙观，尽管有很多图表看起来很吓人，但基本思想实际上相当直观：空间是事件发生的场所；空间充满了位置，各个位置有不同的物体，有些位置是空的，有些被占据；时间则独立于空间而存在。所以在牛顿的宇宙中，空间里面充满了物体，空间一次又一次地发生，空间里的物体从每一刻到另一刻不断地从一个位置变换到另一个位置，时间是给宇宙的不同时刻贴上的标签，时间是防止一切事件同时发生的东西。或者说时间是宇宙的排列序号。按照这种思维方式，宇宙就像一卷胶片，有无限数量的帧，每一帧都是宇宙历史的一个不同时刻。宇宙的空间和时间都是绝对的，每个人都同意空间与时间的绝对性，你可以测量这一绝对性，没有什么神秘的。

基于这样的设定，你能在牛顿宇宙当中穿越时间吗？简单的开玩笑答案是：可以。如果你在这里坐24小时，你就会进入明天。你总是在穿越时间，你总是在牛顿宇宙中每秒移动一秒或每分钟移动一分钟，每个人都这样。这就是牛顿宇宙的秘密：每个人都正在以每秒一秒的速度向前进行时间旅行，每个人都同意这一点意味着什么，每个人都知道什么是一秒，你可以建造时钟，你可以测量时间，你可以同意一个事件与另一个事件之间经过了多少时间。空间和时间在牛顿宇宙中是绝对的。你可以改变你对时间流逝的感觉，比方说你可以去睡觉，睡着了之后时间似乎过得更快。喝杯咖啡或者疲劳状态也会改变你对时间的感知。那是因为你的身体充满了时钟，时钟只不过以可预测的方式一次又一次地做了同样的事情。你的心跳是时钟，你的脉搏，你的呼吸，你的中枢神经系统的周期都是时钟。问题在于它们并不是非常好的时钟。时钟应该是准确可预测的，而我们的身体受到各种影响，比如参加让你昏昏欲睡的讲座。所以你对时间流逝的感知可能是草率且不精确的。但是根据牛顿的说法，时间本身具备绝对刚性的，它对每个可靠的时钟都会绝对做出同样的事情。

有一种思考牛顿宇宙的方式，牛顿本人没有想到，但是我们可以这样想，那就是将整个宇宙——所有的空间和所有的时间——统称为时空。你可以这样做，没有人阻止你这样做。如果你想在宇宙中定位某个事件，你需要告诉我它在空间与时间当中的位置和。比方说你来参加今天的讲座，你必须说讲座在晚上七点点的Linda Hall图书馆，你必须同时给出这两个信息。所以我们可以把时间与空间一起想象成四维的时空。空间有前后左右上下这相互垂直的三维，时间则是第四维。我们没有理由非得这样想不可，因为根据牛顿的说法，空间和时间的行为是不同的。但是你确实可以这样想。问题在于你如何将时空划分为空间与时间？每当你问出这样的问题时都应该从操作层面考虑。换句话说你应该考虑做什么实验、建造什么设备来实现这一点。不要考虑整个宇宙，不要考虑非常遥远的地方在不同时间发生的事情，而是先要考虑你可以建造的东西以及这些东西的作用。牛顿说如果你知道现在是什么时间，而且你想问同一时刻的远处发生了什么，这个问题是什么意思？这意味着你要建造两个时钟，对好时间，然后将一个时钟送到很远的地方。假设你有一大堆时钟，你可以将这些时钟遍布全宇宙——这只是个工程学问题而已，只要你有无限的资源就可以在空间的每一个点上都设置一个时钟。只要你能让所有这些时钟处于同步，这就意味着宇宙中有两个不同的空间点位于同一时间。所以你需要优秀的时钟，让它们保持同步，以相同速率运行。

然后阿尔伯特.爱因斯坦在1905年站出来说你不能这么做。我们最熟悉的爱因斯坦形象是他晚年时的照片，这时的他有点不修边幅，头发像鸡窝，穿着毛衣。但是在他发明空间和时间理论的青年时代，有人给他梳头，有人打理他的衣着。爱因斯坦提出了全新的时空理论，称为狭义相对论。他说你不可能在牛顿宇宙中实现上述做法，不可能实现为了诠释“在空间不同点的相同时间”这句话的意思而必须进行的过程。原因在于一旦一个时钟开始在宇宙当中移动，它就会突然失去与没有移动的时钟之间的同步性。这不是因为你的时钟有问题，不是因为你造不出准确的时钟，而是因为一个关于宇宙的深刻事实。如果你有两只时钟，一开始时间相同并且同步，一个保持静止，另一个去旅行然后回来，再次比较时它们将不再一致。这是关于宇宙本质的真实陈述。我们可以做实验，把时钟放在飞机上绕着地球飞行，然后将它们与留在地面的时钟进行比较，读数确实不一样。这是一个你必须学会接受的事实，这个事实意味着艾萨克.牛顿的绝对时间框架是错的，时间是个体的时间，取决于个体在宇宙当中走过的轨迹。时间不是宇宙的一次性特征，而是你在宇宙当中的运动路径的特征，不同的路径可以经历不同的时间。

这看起来与我们的日常生活经验非常不同，但是请让我试着说服你相信这一主张并不像听起来那么疯狂。相对论的座右铭是时间就像空间。什么意思？假设这张桌面代表空间，我在桌面上画两个点，然后可以创建不同的路径将这些点连接起来，这些路径有不同的长度，不同的距离。路径可以是直线，那将是两点之间的最短距离。但是也可以有弯曲的路径，每条弯曲路径的距离都会比最短路径更长。爱因斯坦主张时间也像空间一样，你穿过宇宙时读取手表的经过时间，类似于你在街上走路时通过里程表测量前进距离，走不同路径的人测量到的距离也有所不同。不过时间与空间有一个巨大而重要的区分：在空间当中两点之间的最短距离总是一条直线，在时间中直线却对应最长的可能时间。换句话说，如果你坐在这里不动，有人在旁边和你对过表之后飞走又飞回，那么他们走的是时空当中的弯曲路径，而且当他们回来时会比你年轻，因为他们经历了较少的时间。他们不会感到有任何不对的地方。对于他们来说时间一直以每秒一秒的速度流逝，但是你的一秒和他们的一秒并不一样，因为你正在沿着时空的不同路径旅行。实现上述操作的关键在于飞去飞来的速度需要接近光速。你在日常生活中不会接近光速，也不会体验到这种现象。所以我们谈论这个现象时通常不用汽车或者跑得很快的运动员打比方，而是直接动用宇宙飞船。假设你有一艘宇宙飞船沿直线飞行，在途中发射两个探测器，让探测器以更快的速度走曲线，最后三者交会在终点。探测器首先加速向外，然后以接近光速的速度飞回来，三者最初的时钟虽然同步，但是与仅仅沿着不间断路径匀速移动的宇宙飞船相比，加速的探测器会经历较少的时间，加速程度越大，经历的时间越少。所以如果你乐意接受的话，爱因斯坦其实提供了一套不同的进入未来的方式。你依然以每秒一秒的速度进入未来，但是因为你的那一秒不同于其他人的那一秒，你可以更快地到达未来。如果其他人都不动，而你接近光速再回来，那么你经历了一个星期的流逝，而其他人经历了一百年。

但是你依然无法回到过去。根据爱因斯坦的说法，时间旅行仍然要受到限制，限制的表现形式就是宇宙的最终速度限制，也就是光速。这里我必须引入一个非常有用的技术术语，也就是光锥。我试着解释一下这个词意味着什么。假设你有一只灯泡，你快速地开关灯泡，灯泡向四面八方发光，光线以光速从灯泡向四面八方传播出去。这个圆圈代表在你们快速开关灯泡后不久的某个时刻光线走了多远，传播到了哪里。光以相等的速度在空间中向四面八方传播，爱因斯坦的速度限制意味着一旦光从你身边经过，你将永远无法追上光。你永远无法移动得足够快，从而达到乃至超过光速。你可以尽可能快地跑，你可以跳上航天飞机或者飞天汽车或者任何载具，反正你永远无法追上从你身边扩散开来的光束。这意味着在四维时空宇宙中有些事件你永远无法到达。有人说下周五晚上有一个很棒的派对，但在半人马座阿尔法星上，距离地球四光年远，至少需要四年的时间以光速旅行才能到达那里。就算你能以光速旅行，只要派对在下周举行，那么根据物理定律你肯定到不了那个派对，因为你无法移动得足够快。如果我们要在时空图上描述这种状态，我们让灯泡亮起来，灯泡的光在空间当中向外传播，形成一个时时刻刻都在变大的圆圈，所有圆圈叠加起来，就成立一个以光线开始发出的时间点为顶点，以随后时间流逝为高度，以该时刻光线在空间当中的传播范围为底部的圆锥形，这就是光锥。爱因斯坦的规则是，从任何一个时间点开始我都可以画一个光锥进入未来，但是我能做的一切都必须位于我的光锥内。我很想去参加光锥以外的派对，但要前往派对现场我必须比光速更快。我永远无法到达光锥以外的时空坐标点：我可以在四年后到达半人马座阿尔法星，但我不能在下周到达那里，下周的半人马座阿尔法星是我无法接触的地方。

这样的理念取代了艾萨克.牛顿关于绝对空间和绝对时间的观点。爱因斯坦主张，时间与空间的切片并不存在，它们不是宇宙的一部分。爱因斯坦会说光锥材是真实的，光锥是现实结构的一部分，将宇宙划分为时间与空间的切片只是虚构，以不同速度移动的观察者不会同意这种虚构。这就是爱因斯坦的时空版本，没有切片：只有光锥，不同的时钟也都必须在它们各自的光锥之内穿行时空，关键在于，如果一切都以远远慢于光速的速度移动，你就不会注意到爱因斯坦宇宙观与牛顿宇宙观之间的区别，而远远慢于光速正是我们的日常生活经验。所以我们才会认为时间是绝对的，所以我们才会讨论在非常非常远的地方同时发生的事件。但是根据爱因斯坦的说法，这种切片的划分是完全任意的，真正存在的是光锥。

我刚才稍微离题两句，帮助大家理解爱因斯坦关于穿越时空的看法。但是这一切并没有以任何方式改变我们的结论，即你仍然需要朝向未来向前移动。牛顿的宇宙观主张你必须朝向未来，因为空间和时间是绝对的，你别无选择。爱因斯坦的宇宙观同样主张你必须朝向未来，而且你受到的约束还更多。你不仅必须朝向未来，而且必须在每一个时刻都呆在光锥内。所以如果你想回到过去，爱因斯坦帮不上忙。你可以接近光速移动，从而更快地前往未来。但是如果你想回到过去，仍然动弹不得。然而以上只是爱因斯坦在1905年发明的狭义相对论。然后他花了接下来的十年时间思考如何将这个想法与重力协调起来，最终在1915年发表了广义相对论。这个理论提出了更加非凡的主张：时空可以被弯曲。时空不是一成不变的结构，它会响应宇宙中的物质和能量。我们可以弯曲和扭曲时空。当一束光被某个大质量物体偏转时，并不是因为那个大质量物体真的在用某种力量拉扯它，而是因为那个大质量物体正在弯曲它周围的时空结构。在爱因斯坦看来，地球之所以绕太阳运动，不是因为太阳在用引力场拉着我们，而是因为太阳正在弯曲它周围的时空。地球正尽力沿直线运动，但是直线不存在，因为时空本身是弯曲的，所以我们最终绕着太阳运动。这就是重力的工作原理，重力是时空的弯曲。时空有自己的几何形状。

这项理论对于理论物理学家和现实世界都有戏剧性的影响，因为被质量弯曲的不仅是空间，还有时间。这意味着你的手表所感受到的时间流逝取决于你在的引力场。我已经告诉过你，你的个体时间取决于你通过宇宙的速度，但是你感受到的重力的大小也确实影响了你的个体时间的速率。大致来说，在强引力场中的时间比在弱引力场中流逝得更慢。全球定位系统或者说GPS系统必须考虑到这一现象。GPS靠的是有卫星定位，你的车上有一个GPS接收器，来回向卫星发送信号。卫星与接收器之间会不断对表。你的接收器有一个时钟，卫星也有一个时钟，通过计算无线电信号——也是一种光——从接收器抵达卫星的时间来推算接收器当前的位置。所以人们必须理解地球上和轨道卫星上的时间流逝速率差异至。卫星处于不同的引力场，广义相对论效应致使它们的时钟比起地面时钟运行得更快一些，而且两者的差异可以测量。如果你不知道广义相对论，如果你不知道时钟的滴答速率受到重力的影响，那么GPS的计算会在几分钟内让你就偏航好几英里。你需要知道这种效应，才能准确地知道你在城市里的位置。所以广义相对论效应已经得到了实验验证。

我必须承认，对于理论物理学家来说广义相对论同样也很有趣，我们可以想象更加强力地弯曲时空，从而构成黑洞。你知道黑洞是一个地方，质量非常大质量的东西坍缩到如此小的空间区域，造成了如此之强的引力场，以至于光本身都无法逃脱。这都是正确的，但是我想强调的是在黑洞里面真正发生了什么，那里有如此强大的重力，以至于光锥都倾斜了。黑洞将时空弯曲到了这等地步，以至于你周围的光都被吸入了黑洞。记住爱因斯坦的规则，当你朝向未来移动时需要呆在你的光锥内。我们在时空图上用一根圆柱表示黑洞，圆柱的轴心就是黑洞内部密度无限、将一切都坍缩在一起的奇点。如果你的光锥距离黑洞足够远，那么你可以绕着黑洞运动，对黑洞进行观察，做任何你想做的事情。但是当你越来越接近黑洞，你的光锥也会因为重力吸引而倾斜。一旦发生接触，黑洞就能让你的光锥倾斜到完全没入黑洞内部。换句话说要从黑洞内部来到外部，你必须比光速更快，再换句话说你必须移动到你的光锥外面，而那是你做不到的。关键是黑洞奇点不是空间中的一个点。奇点是你的未来，奇点是一个时间点。当你掉进黑洞之后只会朝向未来。你可以什么都不做，但是你将不可避免地通过不断变老而进入奇点。你与这个密度无限大、时空曲率无限大的点将会不可避免地相遇，就像明天总会不可避免地到来一样。你不能采取规避行动来阻止自己遇到明天，明天必然来临。在黑洞内部，一切都会坠入奇点。这是广义相对论的效应之一。

现在我们可以利用上述背景材料回到我们的主题。上述理论对于时间旅行意味着什么？如果你仅仅相信牛顿的绝对空间与绝对时间的宇宙观，那么你就没有办法回到过去，只能不可避免地向前迈进。在狭义相对论中没有绝对的同时性概念，只有光锥，但是你仍然不可避免地向前迈进。在广义相对论当中，光锥开始倾斜，它们受到重力的影响，因此出现了全新的可能性。我们至少可以想象一个重力场如此强烈地扭曲了时空，以至于光锥在时空中形成一个圆圈。记住，宇宙并没有被切片成无数时刻，在每一个时间点都有一个光锥告诉你可以进入未来的哪里。如果时空的几何形状是环形，你呆在光锥里向未来前进，然后走着走着就会遇到正准备开始这趟旅程的过去的自己。我只不过正在向未来移动，沿途越变越老，然而当我从直线时空结构进入环形时空结构，就看到更老版本。记住，无论发生了什么都已经发生了，所以如果此时我遇到了老年的自己，那么老年自我就也会在此时迎接我。仔细想想，在这个时空点上并非同时存在一个、两个或者三个我。这个事件没有不同的版本。如果我要在过去遇到自己，那么我的过去自我就遇到了我的未来自我。广义相对论认为，空间和时间是弯曲的，这一点为真正的时间机器提供了可能性。如果我们能够如此扭曲空间和时间，那么我们实际上可以沿着完全合理的宇宙路径旅行，通过不断变老进入未来，但是仍然让我们接触到过去的自我。总结一下：在牛顿宇宙，你必须在时间维度向前迈进；在狭义相对论宇宙，你必须在时间维度向前迈进，因为你必须呆在你的光锥内，而且所有光锥的指向都是固定的；在广义相对论宇宙，光锥则可以倾斜，我们至少可以想象时空扭曲如此严重，以至于你可以拜访过去的自己。

这对JJ 艾博拉姆斯、史蒂文.斯皮尔伯格或者任何正在制作下一部伟大科幻电影的导演来说，以上论述提供了非常生动的一课：时间旅行就像空间旅行一样必须基于运动。时间旅行的形式不可能是跳进一个大箱子，在一阵烟雾中消失，然后出现在另一个时间点。这都是疯话。真正的时间旅行需要你跳进一艘火箭或者某种载具，在宇宙中沿着正确的路径旅行，进入足够强大的引力场，然后你就会被向后抛回过去。你不会消失，你不会传送，你的意识不会突然占据过去的身体。你只要坐在火箭里朝正确的方向前进就行。所以《星际迷航》里的进取号飞船作为时间机器还算合理。它是一艘飞船，它可以去某个地方，如果那个地方的引力场以正确的方式排列，飞船就可以访问过去。《回到未来》里的DeLorean汽车并不是时间机器的实际运作方式。实际上《回到未来》可能是在时间旅行方面最误导观众的电影，因为迈克尔.J.福克斯在过去做的事情立刻就改变了未来，例如照片里的人凭空消失。但是这没关系，福克斯赚了很多钱，尽管DeLorean公司最后还是倒闭了。

那么究竟有没有可能将时空结构弯曲到这种程度？爱因斯坦的理论允许空间与时间具备弹性与动态，使得我们至少可以想象建造时间机器的方式。很少有人接受这个挑战，但是在二十年代八十末九十年代初，真有人尝试这样做过。你需要如此弯曲时空，以至于你可以沿着物理学家所说的封闭类时曲线旅行。这是一条穿越时空的路径，在每一刻都进入未来，但在整体范围内未来会与过去混合在一起。这里我介绍两位尝试者，一个是Richard Gott，另一个是我的加州理工学院同事Kip Thorne。顺便说一下，每当你看到Richard Gott谈论时间机器的照片时他都会穿着画面上这件夹克，这是因为他在研究时间机器之后做了一个演讲，天文学家Robert Kirshner在观众席上问道：“Richard，你这件夹克从哪里弄来的？它一定是来自未来，因为这种颜色在现代不存在。”所以他现在总是穿着它作为致敬。Gott的想法基于所谓的宇宙弦，这是一个非常假设性的理念。记住，我们在这里进行的并非工程设计，而是要确定物理定律是否允许我们想象一个可以构建时间机器的场景，我们能否如此弯曲空间和时间，以至于我们可以访问过去。我们被允许发明实际上不存在的东西，只要不违反物理定律就行。宇宙弦是假说性的理念，它们是大爆炸留下的遗迹，就像时空的小小裂缝，是宇宙从最初时刻冷却下来时可能形成的一小管能量。在二十世纪八九十年代，人们很流行想象宇宙弦与星系形成有关。这个想法现在不那么流行了，但是宇宙弦的概念仍然是完全合理的。这些小能量管真的可以产生巨大的引力效应，这是一个好消息。另一个好消息是，你需要解决方程来理解宇宙弦的引力场，而且与行星的引力场相比宇宙弦的引力场真的非常简单。

所以Richard Gott坐下来做了计算。他说假设我有两根无限长、完全直且绝对平行的宇宙弦，它们以非常非常快的速度相互移动，比光速慢，但仍然非常快——这是一个足够简单的情境，他能够完全精确地解决所有相关方程。这不现实，不可能在实验室里做到，但是它并不违反物理定律，你可以理解这种情况下确切发生了什么。这种情况下确实存在封闭类时曲线，你可以以这两根宇宙弦为轴心螺旋前进，如果你以正确的方式做到这一点，就会被抛回到过去。这是好消息，当初引发了不小的兴奋。《新闻周刊》上还有一张Richard Gott拿着两根弦和一个小航天飞机围绕它们的照片。但是也有坏消息：如果你不够幸运，找不到两个这样做的宇宙弦呢？如果只能找到缓慢移动的宇宙弦，那么你能给它们安上火箭引擎，推动它们达到正确的速度吗？如果这些弦相对于彼此移动得很慢，你就得不到时间机器。你需要两根相对于彼此移动得非常快的宇宙弦，假设你有两根缓慢移动的宇宙弦，你真给它们安上了火箭引擎然后加速，又会发生什么？你会制造出时间机器吗？实际上不会，实际上给宇宙弦安装火箭引擎并且加速，让这些弦以巨大的速度移动，意味着在如此小的空间区域投入如此多的能量，以至于整根宇宙弦都会崩溃并形成黑洞。这几乎就像是宇宙在说：“差不多得了，我知道你试图回到过去，看我用黑洞来阻止你。”所以Gott的构想是一次没有完全成功的尝试。

另一种尝试由我在加州理工学院的同事Kip Thorne提出。我不开玩笑地告诉大家，他正在与史蒂文.斯皮尔伯格合作，后者打算根据他关于时间旅行的想法制作一部电影。他也是卡尔.萨根小说《接触》的灵感来源，这部小说也被改编成了非常成功的电影。Kip的设想是虫洞，也就是时空结构的一种特别有趣的弯曲，它在宇宙中创造了一条捷径。很难用图片准确表示虫洞会是什么样子，因为我们无法忠实地画出弯曲的非欧几何结构。虫洞以外的区域是全宇宙，也就是我们通常观察到的空间，有一个小洞在空间中连接到另一个小洞。从外面的人的观点来看，两个洞口之间很遥远；但是从穿过虫洞的人的视角来看，这段距离真的很短。就好像你想从堪萨斯城旅行到圣路易斯，你挖了一条地下隧道，只走五英里就能到达。你实际上不能做到这一点，因为地球上的时空没有弯曲到这种程度，但是广义相对论给了你想象的自由，你可以想想建造一个穿过空间的隧道，用捷径连接非常遥远的区域。虫洞在现实世界中的存在可能性甚至比宇宙弦还要小。与虫洞相比，宇宙弦都显得有点普通了。虫洞是真正奇特的存在，我们真的不知道物理定律是否允许虫洞现实世界存在。问题不仅在于我们不知道如何建造虫洞，而且当我们尝试建造它们时很可能还会发现需要更加奇特的东西——例如负能量——来避免虫洞洞口崩溃并且形成黑洞——这一类东西特别喜欢玩这一手。但是我们不妨开放心态，想象一下我们找到了虫洞，也维持了洞口开放。在现实当中，洞口的形态将会是一个球体空间，我进入之后将会非常非常快地从另一个地方冒出来。