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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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霍金的这个结果对于建造时间机器无疑是坏消息，但细心的读者也许注意到了，这个结果中有一个限制条件，那就是“能量密度处处非负”。这个条件粗看起来是非常合理的，但我们在介绍虫洞的时候已经提到过，负能量物质的存在不仅在理论上是可能的，而且已经得到了实验的证实。
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既然负能量物质可以存在，那么霍金的结果（确切地说是其中的结论部分）就有可能被避免。这方面的研究事实上早在霍金的结果出现之前就已经有人进行了——当然目的不是为了避免当时尚未出现的霍金的结果：加州理工大学的物理学家索恩（Kip Thorne）与学生莫里斯（Mike Morris）等人在1988年发表的一项有关“可穿越虫洞”（traversable wormhole）的研究中，发现虫洞不仅是空间旅行的通道，而且还可以作为时间旅行的工具——只要让虫洞的出入口以接近光速的速度作适当的运动，就可以将虫洞转变成时间机器[9]。由于虫洞中含有负能量物质，因此他们这种时间机器可以避免霍金的结果，不导致时空奇点（从这个意义上讲，负能量物质还真是很有“正能量”）。索恩等人的这一研究把科幻小说中最具魅力的两个概念——虫洞与时间机器——联系在了一起，集“万千宠爱”于一身，很快就成为了建造时间机器的热门方案。
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但是，索恩等人的虫洞时间机器虽然可以避免霍金的结果，却立即遇到了另一个棘手的问题，那就是虫洞一旦成为时间机器，在类时曲线闭合的一刹那，任何微小的量子涨落都有可能通过那样的虫洞返回过去，与它本身相叠加。这种叠加过程可以在零时间内重复无穷多次，由此产生的自激效应足以在瞬间将时间机器彻底摧毁！这种效应不仅危及索恩等人的“虫洞时间机器”，对其他类型的时间机器也同样具有威胁。1992年，霍金干脆提出了著名的时序保护假设（chronology protection conjecture），认为自然定律不会允许建造时间机器。不过迄今为止，这还只是一个假设，而且霍金的论据也不是无懈可击的，对时间机器的理论可行性持乐观看法的物理学家们陆续提出了一些模型来突破霍金对时间机器的封杀。这方面的讨论目前仍在继续。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 四、时间旅行与因果佯谬
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有关时间机器的讨论除了探讨它的理论可行性外，还有一个非常重要的方面，那就是探讨时间机器假如存在，我们能用它来做什么？
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粗看起来，这似乎不成之为问题，既然能够做时间旅行，那么到达目的时间之后自然应该是想做什么就可以做什么——只要不违反物理学定律。但细想一下，事情又不那么简单。举个例子来说，倘若时间旅行者回到自己出生之前，他能够阻止自己父母的相识吗？这似乎不需要违反任何物理学定律。比如时间旅行者若在自己的父母相识之前，向后来会成为自己父亲的那个人开枪，子弹似乎完全可以在不违反任何物理学定律的情况下击中目标，造成致命伤害。但如果那样的行动成功了，我们就会立刻陷入所谓的“因果佯谬”（causality paradox）之中。因为如果时间旅行者的父母因为他的阻挠而没有相识，那么世上就不会有他；而世上如果没有他，他又如何能够返回过去并阻止自己父母的相识呢？像这样的佯谬在考虑时间旅行时数不胜数，它们都起源于时间旅行对因果时序可能造成的破坏。
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这类佯谬该如何解决呢？在科幻小说或电影中，解决的方式往往是通过各种巧合。比如前面提到过的威尔斯的《时间机器》在2002年被拍摄成影片时，或许是为了对主人公建造时间机器的动机做出某种说明，导演增添了主人公情人被害，他试图重返过去加以挽救的情节。在那段情节中，主人公想尽办法，却总是顾此失彼，他的情人总会以这样或那样的方式死去。显然，同样的手法也可以用来避免时间旅行者阻止自己的父母相识。比方说当时间旅行者正要采取某种手段阻止父母相识时，不小心踩到一块香蕉皮摔伤住进医院，从而错过了时机[10]。这样的解决佯谬的方式被一些物理学家戏称为“香蕉皮机制”（banana peel mechanism）。在“香蕉皮机制”下，时间旅行者看似能够自由行事，但每当其行为将要导致因果佯谬时，总会受到某些看似偶然的因素干扰，致使行为失败。
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这种“香蕉皮机制”很适合编写戏剧性的故事情节。但从物理学的角度讲，很难想象物理学定律需要通过如此离奇巧合的方式来解决佯谬[11]。更何况，香蕉皮机制还有一个致命弱点，那就是它往往只着眼于保证一两个核心事件——比如影片《时间机器》中主人公情人的死亡，或者我们所举的例子中时间旅行者父母的相识——的发生不会被时间旅行所改变，却无法兼顾其他事件。比如影片《时间机器》中主人公的情人以不同方式死亡会在当地报纸上留下不同的报道；我们所举的例子中时间旅行者的摔伤住院也会在当地医院中留下相应的记录。这些事件对特定的故事来说并不突出，但从维护因果时序或历史的角度讲却与核心事件有着同等的重要性。事实上，自然界的各种事件之间存在着千丝万缕的联系，任何看似微小的变化，都有可能通过这种联系逐渐演变成重大事件，这一点对混沌理论中的蝴蝶效应（butterfly effect）有所了解的读者想必不会陌生[12]。
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