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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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除香蕉皮机制外，在一些科幻故事中还可以看到另外一种观点，那就是在一定程度上放弃因果律，以扩大时间旅行者的行动自由。在这种观点下，历史可以近乎随意地被改变，并且改变的结果可以影响到现实世界中的许多事情。科幻影片《频率》（Frequency）体现的就是这种观点。在那部影片中，主人公虽然没有直接进行时间旅行，但他通过与30年前去世的父亲建立联络，具备了间接改变历史的能力。在影片中，历史事件的每一次改变都会直接改变30年后的现实世界。比如由于历史事件的改变导致主人公母亲意外死亡，30年后主人公母亲的相片就会从相框中突然消失。显然，这种观点几乎等于放弃已知的物理学定律，比试图保护现实的香蕉皮机制更为离奇。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 五、凝固长河与平行宇宙
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像“香蕉皮机制”或放弃因果律这样的做法，虽然也有物理学家表述过，但总体来说，它们与现实物理学定律之间的差距太大，很少有物理学家会在没有足够证据的情况下，对物理学定律做如此剧烈的变动。对物理学家们来说，更感兴趣的问题是：在现有物理学定律的基础上，能否理解或避免由时间旅行所可能导致的因果佯谬？
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对于这一问题，物理学家们尚未形成一致的看法。我们在这里向读者介绍两种主要的观点。
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第一种观点认为时间和空间是对物理事件的完整标识。因此一旦时间和空间同时确定，物理事件也就完全确定了。从这个意义上讲，如果我们把时间比作一条长河，那它其实是一条凝固的长河，它的每个截面——对应于一个确定时刻所有物理事件的全体——都是固定的，就像电影胶片一样。按照这种观点，历史只能有一个版本，如果时间旅行者能够回到过去，唯一的可能是他原本就存在于过去。这话听起来有点玄妙，用平直一点的话说就是时间旅行者回到过去后所做的一切都只能精确地演绎历史上已经存在过的一个人。如果他试图阻止自己父母相识，却不小心踩到香蕉皮摔伤住了院，那么在历史上就的确存在过这样一个人，乘坐奇怪的机器从天而降，很不幸地踩到香蕉皮摔伤住了院，伤愈后又乘坐奇怪的机器离去。换句话说，时间旅行者并不能对历史做分毫的改变，他甚至连历史的旁观者都不是，因为他原本就是历史的一部分。这种观点对于热衷时间旅行的人来说无疑是令人失望的，因为如果一切都是不可改变的，那么时间旅行也就失去了最重要的价值。
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幸运的是，第二种看待时间旅行的观点要开放得多，这种观点来源于美国物理学家艾弗里特（Hugh Everett Ⅲ）1957年提出的一种奇特的量子力学诠释——多世界诠释（many world interpretation）[13]。我们知道，量子力学的一个重要特点就是对量子体系进行测量的结果往往是不唯一的。那么，一个具体的测量结果究竟是如何产生的呢？物理学家们提出了许多不同的观点。有些物理学家认为当我们对量子体系做测量时，体系的状态会发生坍缩，我们观测到的测量结果是一个坍缩后的状态。在这种观点中，状态的坍缩是一个不可预测的过程。与之相反，艾弗里特等人的多世界诠释则认为，并不存在这种不可预测的状态坍缩，量子测量的结果是世界分裂为一组平行宇宙。所有量子力学中可能出现的测量结果都是真实存在的，只不过它们分别存在于各自的平行宇宙而非单一世界中。观测者所得到的测量结果，只不过是他（她）所在的平行宇宙中的特定结果而已[14]。如果我们把这种观点运用到时间旅行中，认为时间旅行者不仅跨越时间，而且还跨越不同的平行宇宙，那么所有的佯谬就都迎刃而解了[15]。比如时间旅行者阻止自己父母的相识就不再成为佯谬，因为所有这一切都发生在一个不同的平行宇宙中。在那个宇宙中他的父母原本就不相识，他自己也原本就不曾出生过。这与阻止父母相识的时间旅行者本人出现在那个宇宙中并不矛盾，因为时间旅行者是来自于另一个平行宇宙的，在那个平行宇宙中他父母依然相识。在这种观点下，每个平行宇宙的历史仍然是唯一的，但是所有物理定律许可的历史都会在某个平行宇宙中得以实现，时间旅行者虽然无法改变任何一个平行宇宙的历史，却可以自由地选择进入哪一个平行宇宙，他不能改变历史，却可以选择历史[16]。
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