我們能穿越時間旅行嗎？

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狹義和廣義相對論誕生後，相對論的時空觀取代了牛頓的絕對時空觀，我們關於時空的認識，達到了一個新的境界。但是，我認為，許多人誤解了相對論，特別是誤解了廣義相對論，這種誤解導致了穿越時空、回到過去或提前進入未來的時間旅行幻想層出不窮，甚至以為這種時間旅行是相對論所允許的。

「祖母悖論」顯示出這種時間旅行幻想違背了因果關係，但我們這裡僅從狹義和廣義相對論本身來討論相對論中是否允許時間旅行。

為什麼廣義相對論會讓人們聯想到穿越時間的旅行呢？顯然是廣義相對論中「時空彎曲」的說法給人們造成了誤導。當我們說三維空間可以彎曲時，「空間彎曲」一詞的實際含義是指，實際測量出來的空間中的四條實際存在的直線段之間的關係dL2＝γαβdxαdxβ，與勾股定理dL2＝dx2+dy2+dz2是不同的，而且，不論空間是平直的，還是彎曲的，dL都可以直接測量。但是，四維時空的間隔ds僅是一個定義式，不是一個物理規律，ds除了按它的定義來測量外，再也沒有其它測量方法。我們不能說存在一個與三維空間中的幾何學具有等同意義的，可測量驗證的「四維時空中的幾何學」，當然也就不能說這種「四維時空」中的幾何是平直的歐氏幾何或彎曲的非歐幾何，這些說法也是毫無根據的。時間永遠與空間無關的流淌著，空間也永遠與時間無關的存在著。我們可以討論三維空間的彎曲，但卻不能討論包括時間在內的「四維時空的彎曲」，甚至不能討論「四維時空中的幾何學」，當然，也就不能討論純粹的「時間彎曲」，或「時間流動速度的改變」，甚至「時間流動方向的改變」。時間坐標軸永遠也不會與自身相交，更不會與空間坐標軸相交。當然，引力場或其它場也許能改變過程進行的速度，就像狹義相對論中運動能改變過程進行的速度一樣，或者就像溫度能改變過程進行的速度一樣。但過程進行速度的變化，甚至反向，卻不能理解為時間坐標軸彎曲了，或時間反向流動了。即使是三維空間在引力場中彎曲了，那也有可測量的對象，不是「純粹空間」的「純粹彎曲」。所謂的「四維時空的彎曲」，實際上僅是指光線在引力場中的彎曲。

牛頓的絕對時空觀認為，時空是絕對的，我們關於時空的測量結果與測量者的運動狀態無關，與參照系的運動狀態無關，在不同的參照系中，關於一個物體長度或一個過程所用時間的測量結果，都是相同的，時空測量標準在任何參照系中都是不變的，不同慣性系之間的時空變換遵守伽利略時空變換關係。

艾薩克·牛頓

狹義相對論根據光速不變原理，推導出了慣性系之間的時空變換關係不再是伽利略變換關係，而是洛倫茲變換關係。由洛倫茲變換可知，一個物體的長度，或一個過程所用的時間，不同的慣性系將會給出不同的測量結果。也就是說，在不同的參照系中，或者對處於不同勻速直線運動狀態的觀察者而言，時空的測量結果是不同的，「時空」是相對的，或更精確的說，時空的測量結果是相對的，是相對於不同的參照系或不同的時空測量標準而言的。當然，這還有一個前提，即其它慣性系中的時空測量標準是從我們所在系帶過去的，或其它慣性系中的標準，在該系中也能測量出光速不變原理。同樣，在廣義相對論中，在不同的參照系中，或在不同的時空測量標準下，時空測量的結果也是不同的。

但是，狹義和廣義相對論並沒有說，在一個參照系內部，「時空」也是相對的。對唯一的一個參照系來說，對唯一的一套時空測量標準來說，或者對唯一的一個觀察者來說，他測量出的時空仍然是絕對的，唯一的，而且，時間不會加快或放慢它的「流動速度」，更不會反向「流動」。由於在一個參照系內部，時空是唯一的，絕對的，因此，我們可以像在牛頓力學中那樣，在參照系中建立起一個時空坐標系，即畫出三維空間坐標軸和一維時間坐標軸，這種時空坐標系，在這個參照系內部，是唯一的，不變的，或者說是絕對的。物體在該參照系中的運動，可以看成是在這個時空坐標系中的運動，物體運動的每一個時空點，其坐標值都是唯一的，絕對的。

既然在一個參照系內部，時空是唯一的，絕對的，時間流動的速度和方向不會改變，也就是說，在一個參照系內部，穿越時空的旅行是不被允許的，我們不可能回到過去或提前進入未來。既使不同的觀察者處在不同的運動狀態之中，處在不同的參照系之中，甚至他們手裡拿著不同的時空測量標準，他們測量或觀察到的情況各不相同，但對每一個觀察者而言，他所測量或觀察到的時空卻是唯一的，絕對的，對他而言，時間既不會加快或放慢它的流動速度，更不會倒流。因此，對每一個觀察者而言，他都不會觀察到某個物體或某個人能夠進行時間旅行，提前進入未來或回到過去，也不能觀察到他自己能夠提前進入未來或回到過去，在他的時空坐標中，任何物質運動，都只能按時間的唯一方向，按唯一不變的「時間流動速度」，從過去走向未來。

嚴格來說，討論時間流動的「不同速度或不同方向」是毫無意義的。物體運動速度的測定是在時空測量標準完全確定的前提下進行的，也就是說，是在時空坐標系完全確定的情況下進行的。如果我們要測量或討論「時間流動的速度或方向」，那我們所依據的測量標準又是什麼呢？如果「時間本身的流動速度甚至方向」變化了，那麼討論物體運動的速度還有什麼意義？

對每個觀察者而言，由於時空坐標系唯一絕對，不會變化，時間不能倒流，則任何人也就不能回到過去，殺死他的祖母，阻止自己的出生。在物理學中，因果關係是絕對的，是一條拓撲化的物理規律。

在狹義和廣義相對論中，我們獲得了許多新的時空測量結論或物理規律，如運動物體的長度會縮短，運動物體上發生的過程會變慢，引力也會使物體運動過程發生改變等等。引力甚至會使三維空間中的幾何不再是歐氏幾何。我認為，這些新的時空測量結論或物理規律並不比我們以前熟悉的其它物理規律，如物體的熱脹冷縮規律特殊，只不過在熱脹冷縮中，導致物體長度發生變化的原因是溫度的不同，而在運動或引力引起的物體長度發生變化的現象中，導致物體長度發生變化的原因是物體處於運動狀態之中，或物體受到了引力場的作用。

運動物體上發生的過程會變慢，運動的人會顯得更年輕，或引力使人更年輕，並沒有什麼值得我們迷惑的地方。運動或引力使人的生命過程變慢，使人顯得更為年輕，與良好的保養使人更年輕，除了使人年輕的原因不同外（一種為運動或引力，另一種為保養），再也沒有其它不同的地方。既使出現因運動或引力的作用，使人的生命過程反向，使這個人返老還童了（當然，在狹義相對論中，運動不會使某一過程反向，除非運動速度超過了光速，但在廣義相對論中，引力場也許會使某一過程反向），但我們也不會認為在這個人身上，時間出現了「倒流」。這就如同在某些情況下，有些化學反應過程會變慢甚至可逆一樣，我們並不因為化學反應的速度變慢而認為「時間變慢」，我們也不因為化學反應出現了逆反應而認為「時間倒流」。假設在一個參照系中，有一個人，由於高速運動或引力場的原因，該人的生長速度發生了變化，甚至於出現了反向，使該人返老還童了，但在這個參照系內部的所有觀察者看來，使該人返老還童的現象發生在他前期的生長或變老過程之後，時間並沒有混亂，也沒有倒流。如果觀察者沒有認識到使那個人生長速度變慢甚至反向的原因是他處於高速運動之中或強引力場中，觀察者可能會認為，返老還童可能是由於那個人服用了一種神奇的藥水。

　電影《返老還童》劇照　

如果一個人乘坐宇宙飛船旅行，由於高速運動或由於引力場的作用，當返回地球後，我們發現他比同齡人要年輕許多，我們也許會說，「這位旅行者進入了別人的未來」。但是，這裡的「別人的未來」對這個「別人」來說，不是還未發生的事情，而是正在發生的事情。也許，宇宙中某一處的引力場使旅行者生命過程變快，他返回後反而更老，我們也可以說，「旅行者回到了別人的過去」。同樣，這裡的「別人的過去」對這個「別人」來說，也不是以前發生過的事情，而是正在發生的事情。這種「進入未來」的方式，與將這位旅行者冷凍起來，過幾十年再讓他復甦，並無實質性的差別，這種「回到過去」與旅行者因生病而提前衰老並無實質性的差別。但是，無論怎樣，一個人是絕對不會回到自己的過去或提前進入自己的未來的。

有人說，根據狹義相對論，如果存在超光速運動，會導致「時間反向」，導致因果關係的混亂，但筆者認為，這是對狹義相對論的誤解。狹義相對論中只是說，在一個參照系中正向進行的過程，在另一個以超光速運動的參照系看來，可能會變成逆向進行的過程，但在唯一的一個參照系中，正向進行的過程仍然是正向進行的過程，逆向進行的過程仍然是逆向進行的過程，時間並沒有反向，因果關係並沒有混亂。在唯一的一個參照系中，如果存在一個物體，其運動速度由低速到達光速，並最後超光速（實際上，在狹義相對論中，物體的運動速度不能超光速，這裡只是借用「物體」一詞），該參照系會看到，這個物體上的過程在以光速運動時停止了，在超光速時甚至可能反向進行了，但在該參照系看來，反向進行的過程仍發生在前面的以低速運動時的正向過程之後，在這個參照系內部，時間並沒有混亂。在超光速運動狀態下，原來正向進行的過程變成了逆向進行的過程，就像在某些濃度條件下，原來正向進行的化學反應轉變成逆向進行一樣，並沒有什麼奇怪的地方。

在一個參照系中看來正向進行的過程，在另一個以超光速運動的參照系看來，變成了反向進行的過程，這說明，由這兩個參照系不能提取出相同的拓撲關係，事件的先後順序，因果關係，在這兩個參照系中是不同的。不同參照系中的不同的拓撲關係，屬於不同的拓撲化的物理學。這就像相互之間存在突變的不同的時空測量標準也會得到不同的拓撲化的物理學一樣。但這不能說明，這兩個參照系的內部不存在因果關係，時間在這兩個參照系的內部是混亂的。因果關係在各自系的內部仍然是存在的，時間在各自系的內部看來並沒有混亂，只不過兩系中的因果關係各不相同，兩系中所說的「時間」也各不相同而已。

在狹義相對論的理論中，如果存在超光速，則有兩個公式將不能使用。其中一個是洛倫茲變換關係，這說明，這兩個以超光速相對運動的參照系之間不存在不存在洛倫茲變換關係，甚至可能不存在連續和平滑的任何聯繫，因為它們分別屬於不同的拓撲化的物理學。另一個不能使用的公式是物體的運動質量與速度的關係，當物體運動速度增大時，其運動質量也會增大，當速度接近光速時，運動質量會接近無窮大，要使物體達到這一運動速度，所需要的能量也將達到無窮大。這說明，具有質量的物體的運動，不能超光速。由於現在發現的所有形式的場，如電磁場、引力場的傳遞速度均為光速，因此，我們可以說，在狹義相對論中，物質和能量的傳遞速度不能超光速。但這不能說明，如果存在超光速運動，因果關係或時間就會混亂。這只是說，在我們所在參照系以及一切慣性系看來，如果存在超光速，則超光速傳遞的東西不能是物質和能量。

實際上，不論是在牛頓力學中，還是在狹義和廣義相對論中，包括在量子力學中，所有的物理過程都是可逆的，我們將這些物理規律中的時間t改為－t，物理規律的數學形式仍成立。逆過程有逆過程產生的原因，除了我們已知的原因外，在狹義相對論中，逆過程還可以由超光速運動引起，在廣義相對論中，逆過程還可能會由引力引起。允許物理過程逆向進行，並不等於允許「時間逆向流動」，也不等於能夠進行穿越時間的旅行。否則，人們為什麼沒有說，在牛頓力學中，時間也能「逆向流動」？為什麼物理過程可逆沒有引起人們的思想混亂，因為我們談論的可逆或不可逆，是指物理過程可逆或不可逆，是指物質運動變化可逆或不可逆，但在廣義相對論中，我們卻是在談論時間本身是不是可逆或彎曲。

關於時間的唯一方向或唯一箭頭的來源，是物理學中的一個經常被討論的話題。在物理學中，有多個不對稱或不可逆的物理現象都有可能作為時間的唯一的箭頭，其中一種時間箭頭與熱力學第二定律有關。與熱現象有關的物理過程是不可逆的，由此不可逆過程，可以確定唯一的一個方向或箭頭，這一箭頭就是熱力學的時間箭頭。其它物理定律，儘管與時間的方向無關，在理想情況下，這些物理過程可逆，但是，絕對的與熱現象無關的物理過程似乎根本就不存在，幾乎所有物理過程都是不可逆的。由於物理過程不可逆，所以時間也不可逆。顯然，在這種時間箭頭的來源中，時間的箭頭與不可逆現象有關，而不是與可逆的物體運動有關，不是與物體運動是否超光速有關，也不是與可逆的引力場作用有關。

霍金在他的《時間簡史》一書中，曾討論過「人的心理學上的時間」。霍金將人的心理所感知的時間也解釋為熱力學中的時間，即由於過程不可逆，特別是人身體內的過程不可逆，使人們意識到時間在不斷的流淌。返老還童的那個人自己所感知的時間是怎樣的呢？如果引力場使那個人返老還童的過程，與返老還童之前的過程一樣，都是熱力學上的不可逆過程，則那個人就不可能感知到在他的身上時間可逆，在他看來，返老還童是在原先的變老過程之後新發生的過程。如果引力場使那個人返老還童的過程是熱力學上的可逆過程，則那個人就有可能感覺到是回到了過去，如果過去的記憶還保留著，並且能夠用來與現在的感覺進行比較。但「過去的記憶還保留著」，說明「過去的就是過去的」，時間並沒有倒流。如果那個人沒有保留過去的記憶，則他就不會感到回到了過去，儘管他已經返老還童了。但是，不論怎麼說，在其它人看來，那個人返老還童的過程還是新發生的過程，是在他變老之後再返童的。霍金常常談論時間旅行，但我不知道他為什麼又有這種想法。

《時間簡史》

可以看出，時間與空間有著巨大差別，時間永遠是「一去不復返的」，時間不可能「倒流」，我們無法回到自己的過去，或提前進入自己的未來。我們只能在空間中旅行，但我們卻不能進行穿越時間的旅行。