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[3]有人也许会问，如果“创造”虫洞是不可能的，那么所谓“已经存在”的虫洞从何而来呢？这是一个很有趣的问题，我们都知道能量守恒是物理学上的一个基本定律，也就是说物质是不能无中生有的，那么宇宙中的物质从何而来呢？这两个问题有相似之处，由于我们对于宇宙本身的由来还知之甚少，因此这些问题都还没有答案。我们把宇宙中“已经存在”虫洞作为这一节的出发点，不仅仅是把它作为一种可能性来看待，同时也是考虑到“创造”虫洞未必真的已被物理定律所严格排除。在这种情况下，假定存在虫洞（不论其来源），考虑如何将之改造并维持为可穿越虫洞是一个不无意义的问题。
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[4]这里所说的质量是“惯性质量”（inertial mass），另外还有一类所谓的“引力质量”（gravitational mass）。在广义相对论中，这两类质量是相等的。另外在相对论中质量是能量的一种，因此本文对负质量和负能量不作区分。
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[5]这里的半径是指周长除以2π。（请读者想一想为什么要作这个注释？）
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[6]有关虫洞的深入分析，以及其他一些值得讨论的方面，比如虫洞与时间旅行之间的关系，量子辐射效应对虫洞的作用等，可参阅拙作《丛奇点到虫洞：广义相对论专题选讲》（清华大学出版社，2013年）。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611328]
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦
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绘画：张京
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 时间旅行：科学还是幻想？[1]
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611329]
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一、从《时间机器》讲起
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众所周知，迄今为止人类在空间与时间上获得的自由度是很不相同的。我们可以沿空间方向作自由运动，却无法随意驾驭时间。时间就像一条漫漫长河，世间万物仿佛是河里的漂浮物，只能随波逐流。
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现实的尽头往往就是幻想的起点。如果时间是一条长河，那么在这长河之中是否能有船只呢？漂浮物只能随波逐流，船只却可以劈波斩浪。如果时间长河中能有船只，我们就可以乘坐这种船只进行时间旅行，既可以窥视未来，也可以重返往昔，说不定还能改变历史。在科幻小说中，这种假想的船只被称为“时间机器”。
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有关时间机器最早、最著名的小说是英国科幻作家威尔斯（H. G. Wells）的《时间机器》（The Time Machine），发表于1895年。不过，威尔斯并不是最早触及时间旅行这一题材的作家，在他之前已经有许多作家涉足过这一题材，其中甚至包括美国讽刺小说家马克·吐温（Mark Twain），他发表于1889年的《康州美国佬在亚瑟王朝》（A Connecticut Yankee in King Arthur’s Court）据说是最早涉及逆向时间旅行的小说。但在那些比威尔斯更早的文学作品中，普遍没有使用像时间机器这样一种可以让人选择“目的地”（确切地讲是“目的时间”）的旅行器，并且也极少对时间旅行的机制作哪怕只是科幻意义上的说明。而威尔斯的《时间机器》在这两方面都是突破性的，它很快引起了读者们的巨大兴趣，并于1960及2002年两度被拍成电影，英国甚至为《时间机器》出版100周年发行过纪念邮票。
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威尔斯写作《时间机器》的时候，爱因斯坦（Albert Einstein）的相对论尚未被提出，人们对时空的理解大体上还停留在牛顿（Isaac Newton）的绝对时空观上[2]。但威尔斯却在《时间机器》一书中令人吃惊地提出了将时间作为第四维的观点，与十年后到来的相对论时空观作了戏剧性的遥相呼应。
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威尔斯将时间视为第四维，目的是要通过将时间与空间类比来为时间旅行开绿灯。那么现代物理学认可这个绿灯吗？这就是本文所要讨论的内容。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 二、面向未来与重返过去
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我们知道，在牛顿的绝对时空观里，时间和空间不受任何物质及运动的影响（这是“绝对”的主要含义所在）。很明显，在这样的时空观里，时间旅行不具有理论基础，它的存在只是一种幻想。但是狭义相对论的提出对时空观产生了一次重大变革。在狭义相对论中，时间和空间不再是绝对的概念，而是与参照系的选择密切相关。特别是，在运动参照系中时间的流逝会变慢，这是著名的时间延缓效应，它的存在已经被大量物理实验所证实。狭义相对论所带来的这种新结果，为时间旅行开启了第一种具有理论依据的可能性：那就是面向未来的时间旅行成为了可能。
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按照狭义相对论，如果有人想要到未来去旅行，他所需要的时间机器就是一艘能以接近光速的高速度运行的飞船。想要到达的未来越遥远，飞船所需达到的速度就越高。如果他想在20年（飞船上的时间）的飞行之后到达两万年（地球上的时间）后的地球上，他所要做的就是让飞船以相当于光速99.99995%的速度飞行10年，然后以相同的速度往回飞。那么20年后，当他回到地球上时，地球上的日历已经翻过了整整两万年，他可以如愿以偿地看到两万年后的人类社会（如果那时候人类社会还存在的话）。可以想象，这样一位来自远古的旅行家将会受到未来的历史学家和考古学家们何等热烈的欢迎。
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事实上，不仅未来的历史学家和考古学家将会非常欢迎这样的时间旅行家，与这位时间旅行家同时代的人又何尝不希望他能把自己看到的未来世界的情形带回给大家呢？可惜的是，狭义相对论为面向未来的时间旅行开启了大门，却没能为重返过去的时间旅行提供同样的理论可行性。如果一定要对狭义相对论的数学框架做广义诠释的话，那么只有超光速的运动才可能导致某一类参照系中的时序被颠倒。但是狭义相对论本身在亚光速与超光速之间设置了一个光速壁垒，没有任何已知的物理过程能够使原本亚光速运动的物体——包括人——进入超光速运动状态。因此在狭义相对论的理论框架内，时间旅行家可以到达未来，但却不能重返过去，这与我们在空间中自由自在的运动相比，显然是差得很远的。而且，面向未来的时间旅行不一定需要时间机器才能做到，通过将旅行者冷冻若干年再解冻的手段也可以达到同样的目的。因此时间机器如果存在的话，它真正独特的价值不在于面向未来，而在于重返过去。
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那么重返过去的路在哪里呢？
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