物理世界里的时间旅行

骑UFO看外星人

大家先看一个匪夷所思的故事：

1945年的一天，克里夫兰的孤儿院里出现了一个神秘的女婴，没有人知道她的父母是谁。她孤独地长大，没有任何人与她来往。

直到1963年的一天，她莫明其妙地爱上了一个流浪汉，情况才变得好起来。可是好景不长，不幸事件一个接一个的发生。首先，当她发现自己怀上了流浪汉的小孩时，流浪汉却突然失踪了。其次，她在医院生小孩时，医生发现她是双性人。为了挽救她的生命，医院给她做了变性手术，她变成了他。最不幸的是，她刚刚生下的小女孩又被一个神秘的人给绑走了。这一连串的打击使他从此一蹶不振，最后流落到街头变成了一个无家可归的流浪汉。

直到1970年的一天，他醉熏熏地走进了一个小酒吧，把他一身不幸的遭遇告诉了一个比他年长的酒吧伙计。酒吧伙计很同情他，主动提出帮他找到那个使‘他’怀孕而又失踪的流浪汉。唯一的条件是他必须参加伙计他们的‘时间旅行特种部队’。 他们一起进了‘时间飞车’。飞车回到1963年时，伙计把流浪汉放了出去。流浪汉莫明其妙地爱上了一个孤儿院长大的姑娘，并使她怀了孕。伙计又乘‘时间飞车’前行九个多月，到医院抢走了刚刚出生的小女婴，并用‘时间飞车’把女婴带回到1945年，悄悄地把她放在克里夫兰的一个孤儿院里。然后再把稀里糊涂的流浪汉向前带到了1985年，并且让他加入了他们的‘时间旅行特种部队’。

流浪汉有了正式工作以后，生活走上了正轨。并逐渐地在特种部队里混到了相当不错的地位。有一次，为了完成一个特殊任务，上级派他飞回1970年，化装成酒吧伙计去拉一个流浪汉加入他们的特种部队。

导言是小说家罗伯特·海因莱因的《你们这些还魂尸》里面的剧情。比较混乱，简言之，就是通过时间机器，自己使自己怀孕并生下了自己。

20世纪初，爱因斯坦提出相对论以后，时间旅行就逐渐成为科幻小说和哲学讨论的热门话题。任何时空旅行都无法回避一个悖论问题，这个悖论可以用一个“外祖母悖论”来概括（想要具体了解这个悖论的可输入“外祖母悖论”查看详细内容）：一个人回到过去杀死他外祖母，这样没有了外祖母就不会有将来的你，没有将来的你也就不可能回到过去杀死外祖母。

所有的科幻小说和电影都必须开动脑筋能够自圆其说的解释这个悖论，例如前些日子比较火的《恐怖游轮》、《环形使者》等。在我们的生活中，任何事情都必须有一个独立因（事情不会无缘无故发生），就好像一个链条，一环套着一环，直到最初的一环（亚里士多德把最初的一环叫做宇宙第一推动力，即上帝）。而因果律保证了这个链条只能是开放无交叉的，不能闭合也不能倒退，这才符合我们的逻辑（也称为热力学箭头）。

时间旅行则形成了一个时间闭环，产生一些不可思议的因果循环，颠覆我们的逻辑，如导言中小说的情节。这样一个闭环在其中的每一个时间点都有一个独立因，但是从整个循环上看，却找不出一个独立因。

因此，基于这项悖论，有人说时间旅行是不可能的，还有些人为了维护时间旅行的可能性，拼命想办法解释因果循环的悖论。然而，这里有两个问题需要弄清楚：一、时间旅行是否是因果循环的充分条件？二、已知知识无法解释因果循环，是否代表因果循环是不可能的？比如，在我们接受相对论之前，双生子徉谬就是一个明显的经验性悖论。

如关于双生子徉谬的讨论一样，大多数人对时间旅行的讨论完全脱离了科学，变成毫无依据的异想天开。今天的主题与以上均无关，我只不过是想让大家了解一下科学世界里的时间旅行观念是怎样演变的。

牛顿宇宙论：以牛顿为代表的物理学家认为空间、时间以及运动是绝对的，整个宇宙是一个单一、均匀的惯性系统。时间在这里面匀速流淌，是独立于任何事物之外的绝对存在。但是一些科学家如莱布尼兹、贝克莱和马赫则反对绝对时间概念。马赫认为，变化是比时间更为基本的东西，我们所说的时间“流逝”实际上是我们关注到了周围事物的变化的结果。我们发明出来时间以便把这种变化进行量化。这种理论，深深地影响了爱因斯坦。1905年，爱因斯坦发表了关于狭义相对论的论文。在绝对时空下，时间旅行是完全不可能的。

牛顿万有引力定律可完美解释宏观天体的运行轨迹

狭义相对论：狭义相对论基于两个基本原理，相对性原理和光速不变性。简言之，在任何惯性系统下的物理定律都相同。光速不变导致了在牛顿力学里的绝对空间和绝对时间都变成相对量。从此，我们在讨论时间和空间点的时候都要声明是在何种惯性参照系下，因为不同参照系下的时间和空间量度都不同。在极端情况下，时间对于任何人都是相对的。

在闵可夫斯基四维时空下，不同事件相对时间的巨大差异

狭义相对论区分出了原时和坐标时。原时是指事件、观测者和钟表在同一个坐标系中的测量值，这种情况类似于传统的牛顿力学的绝对时间；而坐标时则是事件和观测者钟表在不同的坐标系中，这时就要用到狭义相对论。在大多数情况下，人们大都处于或者近似处于原时系统中，我们的时间可以认为是绝对量，因此我们可以利用周围事物的固定频率还定量描述运动，机械表就是根据石英的固有频率制造出来的。我们生活都处在原时的规范下，当我问你“现在是几点”的时候，我相信你所遵循的时间和我所遵循的时间处于一个系统。所以我们才不会错过航班、约会等等。

狭义相对论颠覆了我们关于同时性的常识。在一个参照系中观测两个同时发生的事件，在另一个坐标系下却是先后发生的。这种现象的直接后果是造成经验上的延时效应。如果两个参照系相对速度相差很大，则会产生明显的时间差异。当你坐一艘接近于光速的太空飞船旅行一圈回来后发现你周围认识的人全都老的比你快，这就是狭义相对论下的时间旅行。但是这并不是严格意义上的时空旅行，因为你并没有回到过去，只是时间相对你流的比较慢而已。

广义相对论：广义相对论基于等效原理，即引力和加速度只是描述同一现象的不同名称而已。广义相对论中一个有趣的现象是光线在接近物体时会发生弯曲。这是由于质量所产生的引力场造成扭曲的时空结构，并且在大质量（例如：黑洞）附近的时钟之时间流逝比在距离大质量较远的地方的时钟之时间流逝要慢。在非常强大的引力场下，时空的弯曲会产生一个闭合类时曲线（CTC），这种曲面空间不仅意味着在空间回到原点，而且在时间上也回到原点。换句话说，时间在这里真正失去了实际意义上的单向性，时间旅行在理论上真正成为了可能。

经典闭合类时曲线示意图

简单来说，闭合类时曲线上的每一个事件都同时是另一个事件的过去和未来。明天就意味着今天的结束。

量子力学：量子力学是描写微观物质的一个物理学理论，与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱。在微观世界里，许多实验现象无法用常理解释，而只能用量子理论来说明。比如一个既死又活的猫，物质有一个最小的量子化的普朗克常量。

在量子力学中，有一种量子关联现象。两个粒子在经过短暂时间彼此耦合之后，单独搅扰其中任意一个粒子，会不可避免地影响到另外一个粒子的性质，尽管两个粒子之间可能相隔很长一段距离。这种影响甚至比光速的传播速度还要快上10000倍，可以说是瞬时发生的。因此，可以说粒子同时具有几种可能的状态，像一只“既死又活的猫”。

量子纠缠的两个粒子 图片来源：百度百科

许多科学家把这一特性用在时空旅行中，认为当旅行者回到过去任何影响历史的行为都会造成一个新的平行宇宙的产生，这些宇宙完全不交叉没有联系。