科學探索時空旅行 真能改變歷史？

時空穿越劇《星際穿越》海報在什麼樣的宇宙中可以自發地回到過去？　　人類能不能回到過去？這是一個非常有趣的問題。首先回到過去這件事情是發生在時空之中的，我們需要對時空的結構有所了解。時空從字面意思上來說就是時間與空間的結合體。中國古代有「宇宙」的說法，其中的「宇」就是空間，「宙」就是時間。所以，宇宙就是時空。因為時空本身像房子一樣，是有結構的，可能存在樓梯，或者煙囪等複雜結構。因此，總的來說，想回到過去，就相當於要在時空中存在閉合類時曲線(所謂「類時」，就是物體在每一個時空點的運動速度不超過光速)，閉合類時曲線就好像是一條咬著自己尾巴的蛇，時間在過去與未來組成一個封閉的圈，所以分不清楚過去還是未來。以下是一些基於相對論的說法：這在一些奇怪的宇宙時空，比如哥德爾時空中，回到過去在理論上是非常可能的。哥德爾時空是一個真空，但它是旋轉的，因為在那裡，高速的旋轉在時空中產生旋渦，這些時空漩渦能引起閉合類時曲線的存在——這就好像抽水馬桶在沖水的時候會產生旋渦一樣，時空漩渦會導致封閉的類時曲線存在。

時空漩渦　　哥德爾是愛因斯坦到美國普林斯頓高等研究院以後的同事(愛因斯坦以前在德國生活，後來，希特勒迫害猶太人，愛因斯坦是猶太人，對希特勒很不滿，於是來到了美國)，哥德爾是一個數理邏輯方面的專家，以他名字命名的不完備性定理可以說，給了所有試圖追求大統一理論的人以致命一擊：所有理論體系都不是自我完備的——總存在「先有雞還是先有蛋」這樣的難題是無法破解的。在數學中，比如像「連續統假設」這樣的猜想，最後也被證明是既不可證偽也不能證實，邏輯系統的集合會被邏輯本身刺破。這樣的例子還有很多，比如廣義相對論的愛因斯坦引力方程最後會在時空中產生奇性，而這個奇性的地方，廣義相對論本身就破產了(關於黑洞的奇性可以參考本文作者在蝌蚪五線譜網站上發表的以下5篇關於《星際穿越》的科普文章)。　　《星際穿越》中的永恆號離黑洞有多遠？　　《星際穿越》中的蟲洞為什麼是一條捷徑？　　《星際穿越》是如何避免時空悖論的？　　為什麼《星際穿越》巨浪星上1小時≈地球上7年？　　關於黑洞《星際穿越》有哪些未解之謎？

　　哥德爾是一個不折不扣的天才，愛因斯坦給他講了半天相對論，他就學會了相對論的基本原理與思想方法，過了幾個月，他自己找到了愛因斯坦引力場方程的解，這個解被稱為哥德爾時空。在這個時空的一些區域，特定的人站在地上不動，就能回到自己的過去，這是很神奇的。在這個時空的一些區域，某人站在地上不動，但因為時間永遠流逝，所以他沿著時間旅行就能回到自己的過去——因為這個人的質量不等於零，所以他在空間中的速度小於光的速度，因此，其世界線會構成一個閉合類時曲線。對於這一點，熟悉相對論的人可以與愛因斯坦轉盤模型進行類比，在愛因斯坦轉盤裡，轉盤邊緣上的那群觀察者們覺得的「空間」也不是封閉的一個圓，而是一個開放的曲線——在轉動的情景下，空間與時間一樣都頗為玄妙。哥德爾的發現需要比較高的數學技巧，從物理上來說，則非常簡單，就是存在可以回到自己過去的觀察者。

愛因斯坦與哥德爾在我們這個宇宙中，如何才能回到過去？　　在一般的時空中，比如我們的宇宙(被稱作弗里德曼、羅伯遜、瓦爾克宇宙模型，即F-RW時空)並不像哥德爾時空那樣旋轉——我們的宇宙空間沒有漩渦，是平坦的(這是一個重要的結論，來自於對宇宙微波背景輻射的分析，空間平坦性被認為是來自於宇宙極早期的暴漲)。因此，一般認為，我們的現實宇宙中很難出現大的漩渦結構，因此從宇宙的角度來說，可能不存在類似於哥德爾那樣的回到過去的解。但是，別忘了我們宇宙內部還有很多黑洞，而黑洞是可以旋轉的，這叫做克爾黑洞(但我們現在只討論整體宇宙)。在廣義相對論中，奇點的出現使物理在那裡失調。愛因斯坦場方程的解比如史瓦茲齊德解具有球對稱性，F-RW解則是均勻及各向同性的。這個可以解釋我們宇宙目前的真實狀態，因此，F-RW時空就是真實的宇宙。我們的宇宙空間沒有旋轉，所以假設我們要回到過去，則相當於要求在宇宙這個四維時空的某一個區域要有蟲洞。

　　蟲洞的存在需要負能量密度的支撐(見本文末的視頻鏈接)，而我們宇宙中的物質基本全是正能量的，因此打開一個時空隧道，很難在技術上實現。因為在我們人類能夠產生的物質與能量狀態中，物質一般具有正能量，負能量物質非常渺小，而且是不穩定的——兩塊相距1米的金屬板之間的卡施米爾效應，它所產生的負能量的密度相當於在每十億億立方米的體積內才有一個(負質量的) 基本粒子！而且間距越大，負能量的密度就越小。因此，在任何宏觀尺度上由量子效應產生的負能量都是微乎其微的。負能量物質在我們這個世界裡就好像在湖水裡，不藉助其他的隔離物挖出一個大坑，這個大坑不能被水充滿。當然，因為在理論上，宇宙中還是有負能量物質的，因此，雖然很困難，但也不是完全不可能製造出蟲洞。這依賴於未來人類的技術能力了，畢竟我們不排除未來會出現《星際穿越》中的墨菲那樣優秀的科學家，可以克服這個技術難點。

　　其實，蟲洞這方面的研究可以追溯到1985年，美國康乃爾大學的著名行星天文學家卡爾·薩根寫了一部科幻小說，裡面講到時間旅行，此小說叫做《接觸》。薩根去請教研究廣義相對論的專家——加州理工學院的索恩教授，問時間旅行到底是可能還是不可能。當時，薩根版本的時間旅行是通過黑洞內部去進行的，但索恩看了以後，覺得黑洞內部引力太強，會把人撕碎，因此建議改成蟲洞。蟲洞比較溫和，之後在1988年，索恩帶著兩個博士生真的在愛因斯坦方程中找到了蟲洞解，文章發表在《物理評論快報》上，這是比較嚴肅的科學論文。

　　索恩是美國相對論之父——惠勒的學生，通過計算，他很快告訴薩根，蟲洞可以用來作時空旅行的工具。索恩的師弟米斯納與惠勒是蟲洞概念的始作俑者，在他們的模型里，蟲洞在極短的時間內產生，然後消失，因為其壽命極短，無法成為星際旅行的通道。在薩根的小說發表之後，索恩對蟲洞產生了濃厚的興趣，他和他的學生莫里斯開始對蟲洞做深入的研究。與米斯納和惠勒不同的是，索恩研究了可以作為星際旅行通道的那種很大的長壽命的蟲洞，這種蟲洞被稱為可穿越蟲洞。關於這部分，可以參考清華大學出版社出版的書《廣義相對論講義——從奇點到蟲洞》，以及另外一本名為《日出：量子力學與相對論》的書。

　　另外一種穿越時空到未來的辦法是通過所謂的雙胞胎悖論效應，一個人只要坐極高速的火箭離開地球，然後再回來，他會比在地球上的人要年輕，這在某種意義上相當於他能活得更長久，也就是穿越時空了。這個情況是非常普遍的，在微觀粒子實驗中，物理學家早已經驗證了這個現象，對於這一點，最簡單的證明辦法是利用相似三角形來證明狹義相對論的時間膨脹公式——對此感興趣的讀者可以參閱文末的內容鏈接。

回到過去就能改變歷史嗎？　　從目前來看，假設我們身邊存在這種從未來穿越過來的未來人，那麼很明顯，其智商水平與知識水平應該遠在我們這些普通人之上。但這是不可觀測的，原因可能在於，穿越過來的人似乎自己也已經忘記了自己是穿越者了。這是一個很可怕的結論，也就是說，我們的環境對穿越者是一個染缸，能將之平庸化。

如果發生時空穿越，我們就有可能看到霍金與愛因斯坦在一起　　當然，從目前的報道來說，我們這個時空中的大部分人都有明確的出生記錄，他們是來自母親的陰道分娩或者剖腹產，而那些沒有出生記錄的人，是不是來自蟲洞，從直觀上來說也是匪夷所思的。但是，假設真有一個穿越者來自於未來，並具有超能力，那麼他可以改變歷史嗎？因為歷史本身就是這個穿越者與普通大眾一起創造的，所以我們無法考察他是不是真的改變了歷史。《星際穿越》中的庫伯穿越了蟲洞，但他無法改變歷史，未來是由他的女兒來創造的。也就是說「歷史不可以被改變，未來可以被創造」！

時空穿越劇《星際穿越》海報　　其實，這個思想早在2000年就已經被黃易清晰的提出來了，《尋秦記》里的項少龍能回到過去，但他無法改變歷史，只是創造了歷史。也就是說，歷史已經發生，他只不過參與了這個過程，並且最後與歷史書上的記錄保持一致。

　　那麼，為什麼穿越者無法改變歷史？這是為了防止引起時空悖論，其中的「弒母悖論」是最重要的一個悖論，如果一個穿越者能回到過去，殺死自己少女時代的母親，當時他母親還沒有懷孕，那請問他是怎麼出生的？他不是孫悟空，一定來自子宮，不可能是從石頭裡迸出來的，因為這會引起矛盾。所以「穿越者不能改變歷史」是有科學道理的，這背後就是著名相對論專家霍金提出的「時序保護猜想」。該猜想從量子力學的角度出發，通過一系列論證，最後明確禁止時空穿越者去改變已經發生過的歷史事件，從而避免出現宇宙分叉。
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