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第七章：建造時間機器的兩種路徑

常識怎么會沒有意義呢。外祖母悖論——如何修補。薛定諤的貓和多世界理論。混亂的時間。時間是一個幻覺嗎？時間穿梭的超光速粒子。一個宇宙時間機器，提普勒的時間機器和時光隧洞，蘇聯—美國模式。時空彈球和宇宙歷史——二加二以及更多。

常識告訴我們時間穿梭是不可能的。常識還告訴我們，如果認為運動的物體會縮短并且變得越來越重，而且穿梭到遙遠星球又返回地球的宇航員會比待在家里的雙胞胎兄弟年輕一點，這是無稽之談。對于宇宙運行所遵循的規律來說，當涉及時間穿梭的時候，常識不一定總是很好的指南，其他事情也是一樣，重要的是弄清那些規律真正告訴我們的是什么，而不是我們想要它們說些什么。但是，那并不意味著我們可以對哲學家們所提出的時空穿梭疑問和在我們的概念常識中隱含的疑問置之不理。如果時間旅行是可能的，肯定意味著需要拋棄一些關于現實本質的堅定信念——物理學家不得不這樣做，在過去幾百年間這也不是及時次。

通過“時間穿梭”，我指的是兩種方式的時間穿梭，某一過程將會使你踏上行程并且返回到你出發時(或之前)的同一地點。這樣一次時間旅行據說可以形成一個封閉類時曲線。從“常識”的角度來看，我們可以想象一下，如果他或她進行時間旅行并且在時間旅行者的母親出生前設法以某種方式(或非故意導致的)使其外祖母死亡，對于時空旅行者來說將會發生什么，就能生動地說明這類時間穿梭的問題。在那種情況下，時間旅行者就不會出生。因此，時間旅行是絕不會發生的，外祖母也不會死亡。那么，時間旅行者是在哪種情況下出生的？

悖論和可能性

用更科學的術語來說，封閉類時曲線的問題可能違背了因果關系。因果關系是一種假定關系，它表明原因總是要先于結果的。如果我扳動房門旁邊墻上的開關，燈會在我扳動開關之后點亮，而不是之前。甚至在相對論的常規框架內，它允許以不同速度運動的觀察者看到以不同順序發生的或發生在不同時間的相同事件(有時候)，雖然觀察者正在運動，他也絕不會看到房間內的燈光在我扳動開關之前亮起。想象一個正在移動的火車車廂的中間位置有個光源。不同的觀察者可能提出不同意見，從光源發出的兩道光是否會同時到達車廂的兩端，或者哪一道光會首先達到適當的一端；但是，所有觀察者都同意，光束在到達墻面之前離開了光源。大多數物理學家相信因果關系是自然界不可違背的規律；但是事實上，他們沒有證據證明。沒有人發現因果關系被違背，但是，與宇宙監督“規則”相同，事實上物理學規律中并未要求因果關系是真實的。因果關系規律不過是科學術語中所表達的我們關于時間的常識性觀點。

那么，我們如何解決“外祖母悖論”？有兩種行之有效的可能性，科學家、哲學家和科幻小說作家(最容易理解的)就此展開了廣泛的討論。首先，過去發生的事情都是不能侵犯的，這已經確定為一種僵化的模式。所有已經發生的事情，包括你穿梭回到過去拜訪外祖母，從這一觀點來看，它已經發生了并且不能改變。因此，無論當你出發開始時間旅行的時候意圖如何，你所做的事情都無法改變過去。假定你抱著謀殺的意圖出發，當你瞄準外祖母的時候槍將會射偏；或

者，可能經過一系列偶然性事件，你事實上根本見不到她。關于這種想法的一個小變化是時間旅行和改變過去是可能的，但是沒有任何重大意義。例如，如果你回到過去砍倒一棵樹，在那個地方又會長出另一棵樹；如果你在你外祖母還是一個年輕姑娘的時候謀殺了她，你的外祖父可能就與她的妹妹結婚，這樣你所繼承的基因物質會出現微小的變化；等等。在弗里茲雷伯的“改變戰爭”系列故事中，有兩個對立的時間旅行者團體，他們想要利用自身的優勢改變過去擊敗對方。雖然他們盡一切可能嘗試，但是他們做出的改變好像影響力很小，并且遵照雷伯故事人物中提到的“現實守恒定律”，這些改變在通過時空連續體傳播很遠之前“就滅失了”。這種外祖母悖論解決方法最讓人擔心的是，它在多大程度上消除了我們擁有自由意志和真正獨立行動的能力。如果過去是如此嚴格意義上的固定不變，還伴隨著封閉類時曲線，未來可能也是固定不變的，而且，縱使我們決心要改變事件的結果，我們對時間流動的感知不再像逼真的行動表現那么真實，也不像用于制作電影的靜止圖片一個接一個投放到屏幕上面時所產生的時間流那么真實。

在某種意義上可以將時間視為一種不能改變的固定維度，赫伯特喬治威爾斯在他著名的小說《時間機器》中及時次提出這一想法。在愛因斯坦相對論之前10年，甚至在閔可夫斯基用四維空間幾何學描述這一特殊理論之前很長時間，威爾斯就提出“在時間和空間三維的任何一個維度之間都沒有差別，除非我們的意識觀念隨之發展”。小說中虛構的時空旅行者將我們所視為三維立方體的東西描述為一個固定的和無法改變的包含時間的四維實體，因此具有自己的長度、寬度、厚度和持續時間。但是，問題是，如果在四維空間中一切固定不變，那么時空旅行者如何對故事后面參與的事件產生影響呢？根據威爾斯對這些冒險活動的辯護，一切都是固定不變和預先確定的，包括時間旅行者對未來的干預。這使得生活失去了大部分樂趣。解決外祖母悖論的第二個可能性更加耐人尋味。在亞原子層面上，宇宙受到根據機會和概率規律運行的量子力學的支配。此外，還有一個老套的(而有效的)方法可以理解這意味著什么。一個放射性190 尋找時間的邊緣：黑洞、白洞和蟲洞原子核的衰敗，伴隨著釋放一個粒子從而變成另一種元素的原子核，這取決于機會。對于每一種特殊類型的放射性元素，都存在一個特定的時間長度，在此期間原子有50:50的機會衰敗。這一時間

間隔就是元素半衰期。量子過程對概率性的這種奴隸般的服從讓愛因斯坦感到特別受辱，他那句名言是“我不相信上帝會跟宇宙玩擲骰子”；但是所有證據(并且其中大量證據)都顯示從量子層面上來說概率確實是占有統治地位的。一個經典的思想實驗能夠說明這一點的奇怪含義，這個實驗是由諾貝爾獎獲得者量子物理學家埃爾溫薛定諤設計出來的，設計一只假想貓被關閉在帶有一瓶毒藥、某種放射性物質和一個蓋氏計量器的盒子里面。設備用電線連接，如果放射性材

料衰敗，蓋氏計量器就會被觸發并且發出一個裝置粉碎毒藥瓶子然后殺死貓。如果我們開始這一實驗，關閉盒子蓋，然后等待放射性衰敗發生的這一50:50機會，薛定諤的問題是：在我們打開盒蓋之前盒子中的貓是什么狀態？

常識告訴我們，貓或是活著或是死了。但是，量子物理學告訴我們像原子放射性衰變這樣的事件只有在進行觀察的時候才會成為現實。這就是說，量子物理學表明在這種情況下放射性物質是否發生衰變在打開盒子之前是不確定的。在我們查看盒子之前，放射性材料是一種所謂的狀態疊加，一種衰變和未衰變可能性的混合狀態。一旦我們查看盒子，其中一種狀態成為現實，另一種狀態消失。但是，在我們查看盒子之前，盒子中的一切，包括貓，都是一種狀態疊加。因

此，量子力學一直以來都被描述為同時具有死亡和活著兩種狀態——在半個多世紀的時間里，這一理論通過了每一項實驗。

怎么會這樣？這一困惑的一個可能解決辦法是多世界假說。它認為常識告訴我們，貓或是活著或是死了。但是，量子物理學告訴我們像原子放射性衰變這樣的事件只有在進行觀察的時候才會成為現實。這就是說，量子物理學表明在這種情況下放射性物質是否發生衰變在打開盒子之前是不確定的。在我們查看盒子之前，放射性材料是一種所謂的狀態疊加，一種衰變和未衰變可能性的混合狀態。一旦我們查看盒子，其中一種狀態成為現實，另一種狀態消失。但是，在我們查看盒子之前，盒子中的一切，包括貓，都是一種狀態疊加。因此，量子力學一直以來都被描述為同時具有死亡和活著兩種狀態——在半個多世紀的時間里，這一理論通過了每一項實驗。怎么會這樣？這一困惑的一個可能解決辦法是多世界假說。它認為，每當宇宙(“世界”，在這里可以用這個術語)面臨量子層面的道路選擇時，事實上它都具有兩種可能性，分裂為兩個宇宙(經常被描述為“平行世界”，雖然事實上，地說，它們實際上是垂直的關系)。在這幅畫面中，當盒子中的放射性物質面臨衰變或不衰變的選擇時，它不會進入一種對疊加狀態的猶豫不決。而是，整個宇宙分裂為兩個宇宙。在一個世界中，物質發生衰變，當你打開盒子的時候發現一只死貓。在另一個世界中，物質并未衰變，你發現了一只活貓。兩只貓，而且都是“你的”貓，是真實的，在另一個世界中的對應物不知情。

量子力學的多世界解釋絕不會被所有物理學家重視。即使這樣，有趣的是，在重視這一解釋的少數人之中的幾個是近期最偉大的物理學家，包括約翰惠勒(雖然他一度曾提出疑問)、基普索恩和史蒂芬霍金(他認為他能夠從多世界變化的視角解釋宇宙起源)。當然，這種可能性恰好能夠解決外祖母悖論——接著發生了什么呢，時間旅行者可能回到過去并且導致可憐的年邁外祖母死亡(或者，是可憐的年輕外祖母)，但是這一行為產生了一個新的世界樹分支，時間旅行者不存在而且從未出現過的一個宇宙。當時間旅行者在外祖母死亡后再次隨著時間前行，他或她將會移動到時間樹的這一新分支，到達一個不同于他出發時的世界。

科幻小說經常會探索這一可能性。一個最著名的例子是莫爾沃德的小說《迎接大赦》。在那個故事中，主人公最初生活在一個與我們十分相似的世界，只是南方取得了美國內戰的勝利。他通過時間旅行回到過去研究美國內戰中一場著名的戰役，并且在不經意間引起了一系列事件，改變了戰爭的過程并且最終導致北方聯邦軍戰勝了南方聯盟軍。當他隨著時間繼續前行的時候，他進入了“我們的”時間。但是，他原來的世界可能仍然存在，遵循著自己的時間軌跡。這個題目在《回到未來》系列電影中也有探討，尤其是(即使令人迷惑)在三部曲的第二部中。

因此，時間旅行至少以兩種方式發生，而不會違背因果關系——如果因果關系過去就已經不可違背地固定下來，可以建立一些新宇宙使得任何調整都與過去的事件相適應。還有另一種新奇的可能性——在一個時間環內事件就是它們自身的原因(或者，如果你愿意，一些事情會沒有原因地發生)。這里，科幻小說再一次提供了一個經典案例。

時間循環和其他扭曲

在他的故事《你們這些傻瓜》之中，羅伯特海因萊因描述了一個年輕的孤女如何被時間旅行者誘惑并且(恰好)生下了一個小女孩給人收養。這一生育所導致的復雜后果是，“她”做了一個變性手術變成了一個男人。她的誘惑者動員她進入了時間服務，結果顯示她事實上就是他年輕時的自己，而且那個女嬰(事實上他從時間上來說回到了她成長的孤兒院)也是他們更年輕的自己。 這個封閉循環是很好的，而且沒有違背已知的物理學規律(即便從生物學角度看是不大可能的)。但是，如果我們忽略這些“特殊的影響”，并且假想一下沒有人瘋狂地去做一些可能產生悖論的事情，例如殺死你自己的外祖母，那么又會發生什么呢？我們如何用現代物理學的語言描述一次簡單的時間旅行？

好的方式是借助時空圖。想象一下，一個發明家在實驗室中不停地連續工作，建造一個時間機器。一旦建造完成，他跳進去，按下開關，時間旅行回到過去，空間上稍微傾斜，直到與更年輕的自己并肩而坐。然后，他關掉機器，兩個發明家交流了幾句，沿著自己的路進入了實驗室外的世界。這類時間的時空圖如圖7.1。理查德費曼對閔可夫斯基的標準時空圖做了細微改變，以便表示出時間的流動。如果你在一張紙或卡片上面剪一個小窄縫，并且將這張紙或卡片放到圖上，這樣通過小縫兒只能看到底軸線，你看到了發明家在實驗室中開始工作時的位置。將這個窄縫向頁面上部移動(或者僅用手蓋住圖，并且向頁面上部移動)，你看到發明家的世界線隨著時間的流逝而延長，但是他仍然處于相同的位置。突然地，稍年長的發明家莫名其妙地出現了，坐在時間機器里面。從那個時候起，我們一度能看到三個發明家。一個最年輕的發明家正在建造時間機器，與年長點的自己說了幾句話。另一個最年長的發明家開始進入一個外部世界，與年輕的自己說了幾句話。坐在時間機器里面的第三個發明家是年紀居中的。不僅如此，隨著時間流逝(向頁面上方移動)，他變得年輕了。我們可以這樣說，例如，如果說他正在抽雪茄。從時空外的像上帝一樣的視角，我們應該看到他雙唇間的雪茄開始的時候是一個煙蒂，但是當我們將注意力轉移向頁面上方，我們發現雪茄逐漸變長，直到成為一根完整的雪茄，時間旅行者將其裝起來并且藏到口袋里。

時間機器已做的就是逆轉其內部的時間流——其結果是，第三個發明家的世界向后與發明家的最初世界線重疊。

費曼的圖表實際上用于描述亞原子世界中的粒子行為。通常上，像圖7.1一樣的圖表可用于描述在“V”位置的一對粒子—反粒子的表現(可能是一個電子和一個正電子)。前面我已經提到這些虛粒子對是相互湮滅的，目前為止這是它們最共同的命運，然而，事實上，如果其中一個虛粒子能夠與真實世界的伙伴粒子相互湮滅，將能量債務補償給真空，以致初始的虛伙伴粒子能夠在這個位置被升級為真實粒子，那么這些平衡關系能夠令人滿意地實現。在那種情況下，來自于圖7.1中“V”位置所形成的虛粒子對的正電子可能會很快地遇到電子(左側的垂直線)，一般來說使得它的對應電子進入這個世界。當20世紀40年代費曼提出這一模式可以被認為是一個單獨電子的世界線，這個單獨電子先是在時間上前移，然后在時間上后退，然后再次前移。換句話說，當電子在時間上后退的時候，正電子也是一樣的。

你甚至不需要借助虛粒子來玩這個游戲。如果有足夠的純粹能量，真實的粒子—反粒子對也可能由這些純粹能量制造出來。當一個電子和正電子相互湮滅的時候，它們將會以伽馬射線的形式釋放能量；具有充足能量的伽馬輻射也能產生粒子—反粒子對。因此，另一版本的費曼圖可能如圖7.2所示。其含義就是從某種意義上來說所有的粒子軌跡和相互作用在時空幾何中可能都是固定的，所有的運動和變化都是由我們“當前”時刻的不斷變化的心理認知所產生的一種幻覺

(圖7.3)。現在，物理學家已經對這一觀念習以為常，至少在某種程度上，費曼圖是粒子物理學領域的一個有用工具。 但是，沒有人“真正相信”正電子是在時間上倒退的電子——這被認為是一個暗喻，而不是真實的表述。然而，物理學定律表明，正電子與時間上倒退的電子簡直是無法區分的。相同圖表上的世界線可以描述一個時間旅行發明家的冒險經歷，這一事實意味著物理學定律允許這種旅行(而且可以說，時間倒退旅行的發明家相當于一個“反發明家”)。

我掩蓋了一點，那就是如果真正試圖建造時間機器，哪一個是具有現實意義的。在粒子世界中，粒子—反粒子對可能是由伽馬射線能量制造出來的。但是翻版發明家的質能來自哪里呢？為了讓多出來的一個發明家與原來的發明家同時存在，猜想一下時間機器將會需要至少等同于發明家質量的能量輸入，這是合乎情理的。事實上，那應當是非常大的能量；將時間機器接入輸電干線獲取能量(甚至是使用方便的雷擊)是行不通的，這可能將初始的時間旅行實驗限定為涉及面很小而不是關乎全人類的簡單測試。但是，這僅是一個技術問題，并且相對于控制宇宙弦來說要容易一些。我從未說過時間旅行是簡單的——只是這是物理學定律所允許的！

所以，讓我們暫時從人的時間旅行的戲劇性內涵的概念退一步，轉而考察粒子時間退行的概念。這里仍然存在基本的時間悖論，因為如果我們擁有將粒子送回到過去的方法，那么我們肯定可以使用這些粒子傳遞信息。想象一下，你和我有一個時間電臺。我答應，倘若我在下午五點鐘沒有收到在時間上倒退發送的時間電臺信息，我會在六點用普通電話打給你。而你答應，倘若我在六點打電話，你會發給我時間上倒退的信息。你只會在我打電話的情況下給我發信息；而我只會在你不發信息給我的情況下打電話。假定我們倆都遵守保障， 那么我們如何解決這一兩難處境？與外祖母謀殺情境或時間旅行發明家的情況不同，這可能會在不遠的未來變成一個現實的問題。根據老的相對論，撇開費曼較新的時空圖幻象，時間上退行的粒子概念并沒有錯，的要求是它們必須總是在時間上退行，而且順便說一下，它們旅行的速度要快于光。它們甚至還有個名字——超光速粒子——至今沒有人確實找到過它。

超光速時間旅行者

乍看之下，這一特殊的相對論似乎可以阻止超光速(FTL)旅行。如果你以低于光速的速度出發然后越走越快，時間也越來越慢，在達到光速的時候，時間停止。你不能走得更快，因為光速本身就是一個無法逾越的屏障——如果你試圖提高速度，但是沒有剩下的時間。不過根據方程，在屏障的另一面是一個奇怪的反時針世界。在那里，如果你以高于光速的速度前進，時間就會緩慢地倒退。這其中有一個確定的邏輯——畢竟，當你接近光速的時候時間行駛速度更慢，當達到光速的時候時間靜止，那么當你超過光速的時候時間倒退(比靜止還慢)。在超光速粒子世界中，前進的速度越快，時間倒退的速度就越快，而且這種粒子擁有的運動能量越多，它移動的速度就越慢(即，增加能量通常會推動一個粒子接近于光速屏障，從屏障的任何一側都一樣)。因為一個超光速粒子越走越快就會損失能量，這時時間就會向后倒退。令人驚訝的是，這一奇怪的可能性是在愛因斯坦發表自己的相對論之前剛剛提出的。在20世紀初，阿諾德索末菲(曾任哥丁根大學的編外教師，然后成了德國亞琛工業大學的教授，并且在慕尼黑獲得了量子理論先驅之名)認識到麥克斯韋的電磁學理論要求超光速(FTL)粒子在損失能量的時候加速。他在1904年公布了這一結論，1905年的特殊理論也很大程度上基于麥克斯韋的理論，因此其中包含關于超光速粒子的相似描述不足為奇。但是，直到20世紀60年