最近上映的電影《信條》里又出現(xiàn)了時(shí)空穿越的情節(jié)。時(shí)空穿越這事到底靠譜不靠譜？人類能制造時(shí)間機(jī)器嗎？今天我們就來討論一下這個(gè)問題。我們首先帶著大家回顧一下愛因斯坦和他的相對論，再來介紹一下人類對時(shí)間機(jī)器的設(shè)想。

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愛因斯坦和相對論

在300多年前，牛頓在巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，闡述了他對世界的認(rèn)識 ，以牛頓三定律、萬有引力定律為基礎(chǔ)的牛頓力學(xué)從此統(tǒng)治了物理學(xué)。物理學(xué)中最基本的問題無非是時(shí)間、空間與物質(zhì)的關(guān)系，牛頓也曾經(jīng)對這個(gè)問題發(fā)表過自己的看法，他說：

絕對的、真正的、和數(shù)學(xué)的時(shí)間，自身在流逝著，而且由于其本性而均勻地、與其他外界事物無關(guān)地流逝著。絕對的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無關(guān)而永遠(yuǎn)是相同的和不動的。

艾薩克.牛頓

這個(gè)輕描淡寫的論述，就是牛頓對世界的看法。存在一個(gè)絕對靜止的空間和一個(gè)一直在流動、與外界一切無關(guān)的時(shí)間之河，我們的宇宙就是處于這樣的絕對時(shí)空之中。絕對空間中兩個(gè)點(diǎn)的距離不會發(fā)生變化，時(shí)間之河里下游的人也永遠(yuǎn)不會回到上游。

艾薩克.牛頓

這種絕對的時(shí)空觀統(tǒng)治了物理學(xué)200多年，直到二十世紀(jì)初，新的巨人愛因斯坦出現(xiàn)了。其實(shí)，大學(xué)期間的愛因斯坦表現(xiàn)并不出眾，他和他的同學(xué)、后來的第一任妻子米列娃畢業(yè)時(shí)的成績分列全班倒數(shù)第二和倒數(shù)第一。而且，在上大學(xué)的時(shí)候愛因斯坦經(jīng)常逃課，被他的數(shù)學(xué)老師閔可夫斯基斥責(zé)為一條懶惰的狗。

米列娃與愛因斯坦

1900年，愛因斯坦畢業(yè)了，他沒能留在學(xué)校擔(dān)任教職，也沒有找到合適的工作。甚至在報(bào)紙上刊登廣告，希望做家教補(bǔ)貼家用。直到1902年，在大學(xué)同學(xué)格羅斯曼·馬塞爾的父親的幫助下，愛因斯坦才在瑞士的專利局謀得了一個(gè)小職員的工作。

1902年2月5日伯爾尼城市報(bào)：阿爾伯特.愛因斯坦，愿私人為大學(xué)生或中學(xué)生徹底講授數(shù)學(xué)和物理學(xué)，本人持有蘇黎世聯(lián)邦學(xué)院的教師資格證書，家住正義街32號1樓，試聽免費(fèi)。

愛因斯坦的人生經(jīng)歷聽起來平平無奇，誰都不會想到，在1905年，愛因斯坦宛如獲得了智慧女神的祝福，一年之內(nèi)連續(xù)發(fā)表了六篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文，這一年被稱為愛因斯坦奇跡年。這六篇文章中，有一篇名叫《論動體的電動力學(xué)》，它還有個(gè)更響亮的名字——狹義相對論。

在這篇文章中，愛因斯坦提出一個(gè)觀點(diǎn)：時(shí)間并不是永恒流逝的，空間也并非絕對不變，時(shí)間和與空間都與物體的運(yùn)動速度有關(guān)系。如果你運(yùn)動速度快一點(diǎn)，別人看來你的時(shí)間流淌速度就變慢了，空間長度也縮短了。

這和牛頓的時(shí)空觀完全不同，牛頓認(rèn)為時(shí)間就像一條河流，里面所有的人都跟著河流一起往前走，誰也不會快一點(diǎn)或者慢一點(diǎn)。可是，愛因斯坦卻認(rèn)為這只是因?yàn)檫\(yùn)動得不夠快——如果一個(gè)人運(yùn)動的速度接近光速，就會發(fā)現(xiàn)時(shí)間流逝的速度發(fā)生了明顯的變化，這就是狹義相對論告訴我們的內(nèi)容。

狹義相對論刷新了物理學(xué)家的三觀，但愛因斯坦并不滿足于他的成就，他始終在思索如何把萬有引力也納入到自己的理論框架之中。終于，在1915年，也就是發(fā)表狹義相對論十年之后，愛因斯坦又提出了廣義相對論。

廣義相對論的內(nèi)涵比狹義相對論豐富的多，他認(rèn)為：時(shí)空不僅僅跟物體的速度相關(guān)，還跟空間內(nèi)部物質(zhì)的質(zhì)量相關(guān)。如果有一個(gè)物體質(zhì)量特別大，它會對時(shí)空產(chǎn)生明顯的影響，造成時(shí)空彎曲，這種扭曲就是引力的來源。

大質(zhì)量天體造成時(shí)空扭曲的示意圖

我們來比較一下平直空間和彎曲空間。一個(gè)平面可以看作時(shí)一個(gè)平直空間，如果畫一個(gè)直角三角形ABC，三個(gè)邊的長度就會滿足勾股定理：a2+b2=c2。

此時(shí)，我們可以把這個(gè)空間叫做一個(gè)歐幾里得式的平直空間，如果物體在這個(gè)空間中不受到外力作用時(shí)，就會保持靜止或者勻速直線運(yùn)動，這就是牛頓第一定律的內(nèi)容。愛因斯坦認(rèn)為：因?yàn)樵谄街钡目臻g里兩點(diǎn)之間的直線是最短的，所以物體才會沿著直線運(yùn)動。

那么，彎曲的空間時(shí)什么樣子呢？我們再打一個(gè)比方：一個(gè)球面上有兩個(gè)點(diǎn)A和B，從A到B的最短路線是什么呢？注意：我們不允許在球體上打洞，要求路線必須在球面上。

這個(gè)問題難不倒數(shù)學(xué)家們，其實(shí)只要我們球心O為圓心，在球面上做一個(gè)經(jīng)過A和B的圓，這個(gè)圓叫球上的大圓。大圓被A和B分割成兩段弧，比較短的這一段弧——大圓劣弧就是AB之間的最短距離。如果用一個(gè)更專業(yè)的詞，這叫做測地線，球面上的測地線就相當(dāng)于平直空間中的直線。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了球面上直線的概念了?，F(xiàn)在我們在球面上畫出三個(gè)點(diǎn)A、B、C，做出它們之間的測地線，并且，我們可以通過設(shè)計(jì)讓其中兩條測地線互相垂直，這樣我們就做出了一個(gè)球面上的直角三角形。但是，在這個(gè)直角三角形中勾股定理是不成立的，a2+b2≠c2。我們就稱這個(gè)空間是彎曲的空間。

愛因斯坦的大學(xué)老師閔可夫斯基提出了四維時(shí)空的概念：這個(gè)空間中的每一個(gè)點(diǎn)具有三個(gè)空間坐標(biāo)x、y、z，和一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)t，通過這種方法可以方便的計(jì)算兩個(gè)點(diǎn)的時(shí)間和空間間隔，也能比較清楚的闡述過去、現(xiàn)在和未來的概念。在狹義相對論中，雖然認(rèn)為時(shí)間和空間都與速度有關(guān)，但是依然認(rèn)為這個(gè)時(shí)空是平直的。

可是在廣義相對論中，愛因斯坦對宇宙提出了更深刻的認(rèn)識：時(shí)空是彎曲的，彎曲的程度取決于質(zhì)量的分布。在彎曲的空間中，光就會沿著最短的路徑——測地線運(yùn)動，這個(gè)測地線是四維時(shí)空中的最短路徑。除了光以外，其他物體的運(yùn)動規(guī)律也會受到空間彎曲程度的影響。

舉例來說：太陽的存在造成了太陽系附近的時(shí)空發(fā)生了彎曲，地球就是這樣一個(gè)彎曲的空間中做慣性運(yùn)動的。引力并無存在意義，我們只需要通過宇宙中質(zhì)量的分布求出彎曲的情況，就能理解所有天體的運(yùn)動規(guī)律了。

為了通過質(zhì)量分布求出時(shí)空彎曲的情況，愛因斯坦提出了一個(gè)著名的方程——引力場方程，這個(gè)方程非常的復(fù)雜，但是通過求解這個(gè)方程，科學(xué)家們獲得了很多有趣的結(jié)果。

引力場方程

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引力場方程的解

引力場方程最著名的一個(gè)解就是黑洞，我們在之前討論過這個(gè)問題，此外，人們還通過這個(gè)方程了解了宇宙膨脹、宇宙大爆炸等等關(guān)于宇宙的規(guī)律，愛因斯坦預(yù)言的引力波也在最近幾年得到了證實(shí)。在引力場方程豐碩的成果中，哪些是與時(shí)間機(jī)器有關(guān)的呢？

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哥德爾宇宙

1906年，匈牙利誕生了一位數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家和哲學(xué)家哥德爾，他被稱為二十世紀(jì)最偉大的邏輯學(xué)家之一，因提出哥德爾不完備定理被人們熟知。

庫爾特·哥德爾

1949年，哥德爾得到引力場方程的一個(gè)解，現(xiàn)在我們稱之為哥德爾宇宙，這是一個(gè)不膨脹且高速旋轉(zhuǎn)的宇宙，它依然符合引力場方程。而且，因?yàn)橛钪娓咚傩D(zhuǎn)，會引起時(shí)空的強(qiáng)烈扭曲，出現(xiàn)一些奇特的物理現(xiàn)象。

三個(gè)物體A、B、C在哥德爾宇宙中的時(shí)空軌跡

我們在哥德爾宇宙中畫出一個(gè)時(shí)空圖，它的橫坐標(biāo)是物體的空間坐標(biāo)r，縱坐標(biāo)是時(shí)間坐標(biāo)t。A物體的時(shí)空坐標(biāo)都在均勻增加，表明它一直在朝著一個(gè)方向勻速直線運(yùn)動；B物體的時(shí)間坐標(biāo)在增加，但空間坐標(biāo)出現(xiàn)了反復(fù)，說明它一會兒向前走，一會兒向后走。

神奇之處在于：哥德爾宇宙允許物體C這樣的時(shí)空軌跡存在——C從一個(gè)點(diǎn)出發(fā)，運(yùn)動了一圈后，又回到了出發(fā)的時(shí)空點(diǎn)，這表明它不但在空間中回到了原位，在時(shí)間上也回到了出發(fā)的時(shí)刻——我們就稱之為時(shí)間閉環(huán)。

有了時(shí)間閉環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)空旅行了，一個(gè)人活了一輩子，快死的時(shí)候發(fā)現(xiàn)回到了出生的醫(yī)院，周圍是當(dāng)年接生的醫(yī)生，他又重新呱呱墜地。如果大家對這個(gè)話題感興趣，可以看一部比較燒腦的電影《前目的地》，電影中的情景在哥德爾宇宙中是可能的。

電影《前目的地》劇照

很遺憾，我們所在的宇宙從觀測上看，并不滿足哥德爾宇宙模型。但是說不定，在另外一個(gè)時(shí)空中存在哥德爾宇宙呢？那個(gè)宇宙中的外星人看待穿越時(shí)空，也許就像我們看待生老病死一樣習(xí)以為常。

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梯普勒圓柱

美國天聞學(xué)家法蘭克·梯普勒提出了另一種制造時(shí)間機(jī)器的方法——梯普勒圓柱。

梯普勒

梯普勒說：在我們的時(shí)空里進(jìn)行時(shí)間旅行也并非不可能，只要你造一個(gè)無限長而且密度無限大的圓柱體，讓這個(gè)圓柱繞著中間的軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的過程中，這個(gè)圓柱體會造成周圍時(shí)空的強(qiáng)烈扭曲。當(dāng)有一個(gè)人在圓柱的的附近，就會被圓柱帶回到過去了。

梯普勒圓柱

只可惜，這個(gè)長度無限長、密度無限大的圓柱，也只是在理論上是有可能的。

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蟲洞的猜想

在我們的宇宙中，究竟有沒有辦法，制造一臺穿越時(shí)空的機(jī)器呢？很遺憾，著名的物理學(xué)家霍金說：不可以。

霍金是以研究黑洞而聞名的，對看不見摸不著的黑洞都深信不疑，按說應(yīng)該對穿越時(shí)空也抱有很大的熱情。但是霍金卻說：在有限的空間，能量處處非負(fù)的條件下不可能造出時(shí)間機(jī)器，因?yàn)檫@會產(chǎn)生一個(gè)時(shí)空的奇點(diǎn)。在奇點(diǎn)上，任何物理規(guī)律都會失效，這個(gè)方案根本是行不通的。

不過，科學(xué)家們說：會不會存在一種低于真空能量的能量呢？如果負(fù)能量存在，就可以在不違反霍金論述的情況下，造出時(shí)間機(jī)器啦。1988年，由加州理工的教授索恩以及他的學(xué)生莫里斯再次提出了一個(gè)猜想——通過蟲洞進(jìn)行時(shí)空旅行。

蟲洞旅行假想圖

其實(shí)，早在1930年，愛因斯坦和羅森就已經(jīng)設(shè)想蟲洞了。我們知道：黑洞是可以把所有的物質(zhì)吸進(jìn)去，就連光都無法逃脫；宇宙中還可能有一種奇妙的天體——白洞，它會不斷往外噴出物質(zhì)?，F(xiàn)在，我們把黑洞和白洞連到一塊，物質(zhì)被黑洞吸入，又從白洞被噴出，它們中間的通道就叫做蟲洞。

愛因斯坦-羅森橋

大家看：原本A和B兩個(gè)點(diǎn)在四維時(shí)空中相距甚遠(yuǎn)，從A發(fā)出的光如果沿著測地線運(yùn)動，也需要很長時(shí)間才能到達(dá)B。但是，假如由于大質(zhì)量天體的存在，讓時(shí)空發(fā)生了強(qiáng)烈的扭曲，A和B就會變得很近很近，此時(shí)只要在A處加一個(gè)黑洞，B處加一個(gè)白洞，我們從A處跳進(jìn)去，一瞬間就能到達(dá)B處。也許這意味著一瞬間我們到達(dá)了千里之外，也有可能我們到達(dá)了未來，或者回到了過去。索恩等人就是把愛因斯坦的這種設(shè)想進(jìn)行了具體化。

蟲洞假想圖

我們之前講過，黑洞擁有巨大的質(zhì)量，所以才有強(qiáng)大的引力，把物質(zhì)吸進(jìn)去。而白洞剛好相反，它對物質(zhì)沒有引力，反而有排斥力，它會向外噴東西。正常質(zhì)量的物質(zhì)都會有引力，所以白洞中的物質(zhì)不能是正常物質(zhì)，必須是一種叫做奇異物的特殊玩意。奇異物是一個(gè)非常新奇的物理概念，它的質(zhì)量是負(fù)的，能量也是負(fù)的，這就使得時(shí)間旅行與霍金的理論不沖突了。

怎么樣？大家想不想制造一個(gè)蟲洞？其實(shí)，蟲洞在目前看，依然是只能停留在理論中。有科學(xué)家們曾經(jīng)算過：一個(gè)人要想掉進(jìn)蟲洞里，在黑洞一側(cè)會承受巨大的拉伸力，到了白洞一側(cè)又要承受巨大的擠壓力，這個(gè)力可以把人撕碎成亞原子。

穿越蟲洞的人

要讓人的受力盡量小，造出來的蟲洞必須得大一點(diǎn)，這就要收集更多的奇異物。然而到現(xiàn)在，我們連白洞和奇異物的影子還沒看到呢！

在我們有生之年，造出時(shí)間機(jī)器幾乎是不可能的。不過，以前的人們也認(rèn)為登月是不可能的，現(xiàn)在我們也完成了這個(gè)偉大的壯舉。現(xiàn)在我們認(rèn)為不可能的時(shí)間機(jī)器，說不定在未來也會被人類制造出來呢。

電影《時(shí)間機(jī)器》劇照

不過，時(shí)間機(jī)器一旦被造出來，就會產(chǎn)生一些自相矛盾的怪事，比如著名的祖父悖論：一個(gè)人能通過時(shí)間機(jī)器回到過去，把自己的祖父殺死嗎？關(guān)于這個(gè)話題，會在下一回再給大家做介紹。

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總結(jié)

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