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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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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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在狭义相对论之后又过了10年，爱因斯坦提出了广义相对论。在广义相对论中，时间和空间不仅如狭义相对论中一样与参照系的选择密切相关，而且还有赖于物质的分布和运动。由此产生的一个不同于狭义相对论的重要结果是：我们对“未来”的定义不再是绝对的了，它会受到物质运动的影响。在不同时刻、不同地点，“未来”有可能指向不同的方向。这是一个奇妙的结果，它表明时空在某种意义上就像流体一样会受到物质运动的拖曳，甚至连时间的方向都有可能因拖曳而改变。
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既然时间的方向可以被物质的运动所拖曳，那么有没有可能存在某种物质的分布与运动，它对时间方向的拖曳如此显著，以至于把未来方向拖曳成过去方向，甚至让不同的时间方向首尾相接，连成一条闭合曲线呢？这样的闭合曲线如果存在，无疑就是一种时间机器。因为沿这种曲线运动的飞船每时每刻都在做正常的飞行，感受到正向的时间流逝，但它的轨迹却不仅在空间上，而且会在时间上回到出发点。如果你乘坐飞船沿这样的曲线做一次为期10年的旅行[3]，那么在旅行结束时你不仅会回到飞船出发的地方，并且会遇见10年前整装待发的自己[4]！物理学家们把这种奇妙的曲线称为“闭合类时曲线”，它是时间机器这一科幻术语在广义相对论中的代名词。倘若存在闭合类时曲线，时间旅行就有了理论上的可能性。
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那么在广义相对论中，是否存在闭合类时曲线？或者确切地说，是否存在使闭合类时曲线成为可能的物质分布与运动呢？对这个问题，物理学家们做了许多研究。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 三、广义相对论与时间旅行
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1949年，著名逻辑学家哥德尔（Kurt Gödel）在广义相对论中发现了一个非常奇特的解，描述一个如今被称为“哥德尔宇宙”（Gödel universe）的整体旋转的宇宙。在这种宇宙中，物质的旋转对时间方向会产生拖曳作用，离旋转中心越远，拖曳作用就越显著。在足够远的地方，拖曳作用足以形成闭合类时曲线。因此，在哥德尔宇宙中只要让飞船沿某些远离旋转中心的轨道运动，原则上就可以实现时间旅行。哥德尔这位曾经以哥德尔不完全性定理（Gödel’s incompleteness theorems）震撼整个数学界的逻辑学家，又用他的旋转宇宙震动了包括爱因斯坦本人在内的许多物理学家。
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可惜的是，哥德尔宇宙并不符合天文观测。首先，我们所生活的宇宙并不存在整体的旋转[5]；其次，在哥德尔宇宙中宇宙学常数是负的，而我们观测到的宇宙学常数却是正的。因此我们所生活的宇宙显然不是哥德尔宇宙。不仅如此，定量的计算还表明，即便我们真的生活在一个哥德尔宇宙中，也很难实现时间旅行，因为沿哥德尔宇宙中的闭合类时曲线运行一周所需的时间与宇宙的物质密度有关，对于我们所观测到的物质密度而言，沿闭合类时曲线运行一周起码需要几百亿年的时间。因此哥德尔宇宙对于时间旅行并无现实意义。
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不过，哥德尔宇宙虽然没有现实意义，但它的发现表明广义相对论的确允许闭合类时曲线的存在，这本身就是一个鼓舞人心的结果。自那以后，物理学家们在广义相对论中又陆续发现了其他一些允许闭合类时曲线的解。比如1974年，美国图兰大学（Tulane University）的物理学家梯普勒（Frank J. Tipler）研究了一个无限长的旋转柱体外部的时空[6]，结果发现只要旋转速度足够快，这样的柱体对外部时空所起的拖曳作用也足以形成闭合类时曲线。又比如1991年，普林斯顿大学的天体物理学家高特（John Richard Gott Ⅲ）发现两条无限长的平行宇宙弦以接近光速的速度彼此擦身而过时，也会在周围形成闭合类时曲线。与梯普勒人为引进的旋转柱体不同的是，宇宙弦的存在虽然还没有明确的实验证据，但它是许多前沿物理理论所预言的东西。因此高特的结果可以算是把时间机器在理论上的可能性又推进了一步。
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但是梯普勒与高特为了数学上的便利都引进了无限长的物质分布（即“无限长的旋转柱体”和“无限长的平行宇宙弦”），这在现实世界中显然是不可能严格实现的。假如物质的分布不是无限的，还可以得到类似的结果吗？物理学家们对此也做了研究，但情况不容乐观：1992年，著名物理学家霍金（Stephen Hawking）给出了一个令人沮丧的结果，那就是如果能量密度处处非负，那么试图在任何有限时空区域内建造时间机器的努力要想成功，都必须产生物理学家们最不想看到的东西——时空奇点[7]。时空奇点对于研究广义相对论的人来说是并不陌生的，它具有一系列令人头疼的性质，比如物质的密度发散，时空的曲率发散，等等[8]。虽然没有人确切知道时空奇点的出现会对时间旅行产生什么影响，但这种影响很可能是凶多吉少的。
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