理论下的“时间旅行”

　【摘要】 在相对论和量子力学为基础的现代物理的几十年的长足发展之下，依据现代物理和数学工具，在以前看来是幻想的时间旅行已经在理论下形成了相对论，虫洞理论等的时间旅行的可能方式。虽然依靠目前的科学技术甚至都难以验证其中一些理论的可行性。而且即便理论正确，在可预见的未来也都是难以实现的，但它们却能为我们以后指明方向，让我们对这个世界能有一个更加清楚的认识。

　　【关键词】 相对论 量子力学 虫洞理论 时间旅行

　　对于“进行时间旅行”这一话题，大多数人都是未经过严谨思考而侃侃而谈，一笑而过。而对于当代物理学家，却是一个极其深奥且复杂的问题。他们试图通过已知的物理理论和严格的数学证明，使之变为可行，并期望能逐渐形成相对完整的理论体系。即使这样，对于这一问题，物理学界依然分歧严重。而物理学家索恩曾多次指出：即使物理学定律不允许时间机器，我们为了认识它们而做的努力，也将强化我们对因果性的认识而带来很多帮助。[1]

　　一、爱因斯坦狭义相对论

　　根据爱因斯坦的理论，光速在任意坐标系下都保持恒定的值，而且也是一切机械运动和电磁运动中的最大极限值，其大小始终大约为每秒30万千米。通过基于简单数学推论的理想试验，爱因斯坦发现对于牛顿理论体系中“时间是绝对的，且不受任何外界因素的影响，它始终如一地从过去经过现在流向未来。”这一基本观点实际上存在着重大的缺陷。通过对不同坐标参考系下的运动物体进行洛伦兹变换，他发现不存在绝对的时间，也不存在绝对的空间。对于不同的坐标参考系它的时间都是不同的，即时间、空间具有相对性。

　　从狭义相对论可知，对于在一惯性系中运动的物体，其速度越快，它的时间过得就越慢，形成所谓的时间膨胀效应。因此，想要踏上未来之旅，我们所要做的就是使飞行器能足够快，要使时间效应相对明显，就需要该飞行器能达到光速范围。如果能够制造出速度接近光速的宇宙飞船，那么宇宙飞船必然会因为不能违反光速最快原则，而使舱内的时间放慢。[2]例如：若一飞船以恒定的99%光速在惯性坐标系A中飞行，同时将地球作为惯性坐标系B。地球上的60分钟，对于飞船上的飞行员来说大概只过了6分钟时间。此时，对于飞船里面的人来说，他们实际上已经进入了未来。不过因为无法实现超光速运动，我们可以通过这样的方法进入未来，却无法回到过去。

　　由狭义相对论可知，若要将物体加速至光速范围，其质量就会随速度变得越来越大，甚至变为无穷大，因此就会需要非常大的能量，大到所需的能量也为无穷。然而，这种情况只适用于外部动力。而如果将物体自身质量化作能量的话，就不会出现质量增大至无穷的问题，也就是说，通过这种方法将有可能能使物体飞行速度达到光速。一旦以物体以光速运动的话，就会产生一个使人惊异的结果—空间收缩。对于任意物体间的距离，都缩小为零。因而对于光速运动的东西来说，时间是不存在的，宇宙中的任何地方都是现在，空间上的距离也是不存在的，宇宙中的任何地方似乎都收缩为一点，而不需要花时间就能到达。一旦物体达到光速，那么理论上将不再有任何东西阻碍它继续加速到光速。一旦可以达到光速，并超过光速，那么我们就可以逆时间而行，过去的时间将越过时间—光速壁垒重新回来，这样我们就能回到过去，实现时间旅行。[3]因此，如果我们在理论上承认超光速的存在，那么通过这样的方法，我们就既可以进入未来，也可以回到过去。

　　二、虫洞理论

　　在1915年，爱因斯坦又一次创造性的提出了另一重要理论—广义相对论。广义相对论的应用范围更强，适用于一切非惯性参考系。根据广义相对论，爱因斯坦提出：时间和空间并不是一成不变的，而是会随着引力场的强弱程度而有所不同，即时空会在引力场中发生弯曲。若在A，B两点均存在着强引力场，它们的强大引力会使其周围的空间发生扭曲。就像是在一张二维的橡皮膜上放上了一个重物。橡皮膜会随着重物质量的增加，而使陷落的井变得越来越深，不过此时的空间扭曲和陷落发生在更高维度而变得无法察觉。若此时A，B两点扭曲的空间相互接触，并顺利连接在一起，就会产生一种叫做“虫洞”的结构。这样奇异的时空结构可以作为爱因斯坦方程的数学解而出现。因而至少在理论上并不否认该时空结构的存在。这样的时空结构可以连接宇宙中两个很远的两点，甚至有可能连接着两个不同的子宇宙。不过此时的虫洞只是空间上的捷径，还不是时间机器。

　　因为时间依赖于引力场的强度，要使虫洞变为一台时间机器并成功地进行时间旅行，只需要将虫洞的某一入口A放在如中子星一样的强引力场之中，将虫洞的另一入口放在相对弱的引力场之中，因为此时两入口在不同的引力场之中，导致两洞口附近的时间流逝并不相同。此时，若在A，B两洞口放置两个相同的时钟，会明显地看到洞口A处的时钟会比B处的时钟走得更慢，两洞口之间会形成明显的时间差，从而制造出一台时间机器。原则上时间机器可以非常强大，我们与洞口A在强引力场中等待的时间越长，A，B两洞口之间的时间差就会越大，因而我们可以制造出一台可以带我们回到过去数天，甚至数年的时间机器。而且若此时我们将虫洞移开强引力场，他们依然保持之前的时间差，能一直作为一台时间机器使用。

　　因此，理论上我们可以制造出一个存在于更高维度的虫洞结构。通过改变两洞口处的引力场强弱，并施加人为干预，就可形成一台回到过去的时间机器。

　　当然，除了通过加速或者利用虫洞来进行时间旅行之外，科学家们还想出其它可进行时间旅行的方法。如美国普林斯顿大学的天文学家哥特就认为还可以考虑通过弦论，利用这种奇妙的弦来使得时空发生扭曲，达到进行时间旅行的目的。而新奥尔良蒂拉恩大学的数学与物理学家蒂普勒在其一篇名为《旋转的圆柱体及全面违背因果关系的可能性》的论文中，就设计出一个长100千米，直径10千米且以极快的速度旋转密度极大的圆柱体来作为时间机器。当旅行者以螺旋形的路线绕着该圆柱体进入时，就能在时间上回到过去或者前往未来。

　　三、结束语

　　总的说来。时间机器是否能够存在的问题还没有解决。不过，即使物理定律严禁时间机器，也值得我们去考虑它所引发的问题，因为它可能使我们重新认识时间和因果关系的本质，认识物理学的其他方面。