时间旅行之谜
穿越到未来
我们今天来讲时间旅行之谜。要把这个问题给讲清楚，最重要的事情莫过于把时间到底是什么给讲清楚。
大概自人类文明诞生以来，对于时间到底是什么的讨论就从来没有停歇过。古代的智者有过很多精彩的论述，比如，孔老夫子站在泗水边，望着奔流的大河，留下一句著名的话：“逝者如斯夫，不舍昼夜。”他的意思是说，时间就像连绵不断的河水，昼夜不停地在流动着。与孔老夫子类似，英国的大物理学家牛顿也把时间比作河流，永不停歇地流逝。时间的流动似乎是独立于人的感受之外的存在。对每个人来讲，流逝的速度都是一样的。我们只能在时间的这条大河里随波逐流。我们是没有办法改变这条河流的流速的。牛顿的时间观念被后人称作“绝对时空观”，在这种观念之下，时间旅行当然是绝对不可能的。
但是德国的数学家和哲学家莱布尼茨不认同牛顿的思想。他认为，时间不过是一系列事件的顺序排列罢了。假如没有任何事件发生，时间也就没有任何意义。他们谁对谁错，一时间众说纷纭。但是，仅仅从哲学思辨的角度去讨论，基本上也只能泛泛地空谈，对于解决实际问题来说，似乎也没有太多的帮助。
当时间走到了20世纪初，在瑞士伯尔尼专利局，有一个不起眼的三级专利员也开始思考起了时间的问题。他就是爱因斯坦，正是他彻底颠覆了人们的时间观念。爱因斯坦的核心理念是，去纠结时间的定义到底是什么没有意义，人类的语言是无法准确描述时间这样的事物的。研究时间的正确姿势应该是换个思路，我们只关心怎么测量时间，而不去纠结于时间到底是什么。
至于时间到底是什么，根本就不是人类的语言所能够描述清楚的，但我们可以把时间测量的方法定义出来，那么测量出来的值就是时间的数学意义，就能够指导我们对世界作出预言。
把这个概念理清楚之后，很多事情一下子就变得豁然开朗了。那么到底怎么测量时间呢？爱因斯坦认为，任何有精确周期性运动的东西都可以用来测量时间，只是测量精度不同而已。例如，用心跳就可以测量时间，我们完全可以创造一个时间单位叫“跳”，然后我们就可以说火车从A地运行到B地需要多少跳。只不过这种测量方式就会显得很粗糙，因为每个人心跳并不都是同步的，有些人快有些人慢，而且就是同一个人的心跳也时快时慢，所以，用心跳来作为时间单位就太粗糙了，不合适。我们也可以用太阳的东升西落来测量时间，这就精确得多了，那么一次东升西落的时间单位就可以记作一天；我们也可以用钟摆的来回摆动来测量时间，摆动了多少个周期，就是多少个时间单位。总之，一样事物的周期性运动越是稳定、精确、快速，用它来测量时间，得到的数值精度就越高。
接下来，爱因斯坦就根据前人做出的很多物理实验的结果，作出了一个开天辟地的大胆假设，这个假设现在很多人都耳熟能详，对的，就是光速不变，准确地说就是真空中的光速永恒不变，而且还有一个定语，无论你用什么方式去测量，也无论你用于测量光速的物体本身处在怎样的运动状态，在排除了测量物本身的误差后，得到的数值总是不变的。只要采用的测量方式不变，真空中光速的数值就不会变。
说实话，绝大多数人在第一次听到我上面这段很是绕口的话之后，并没有什么感觉，甚至根本就没有领会为什么我们说这是一个非常大胆，甚至是离经叛道的假设。不举具体的例子是很难把深奥的科学道理讲浅显的。
我要借助一个具体例子给你再讲一遍爱因斯坦的大胆假设。现在，我们手里有两个钟摆，它们俩是严格同步摆动的，我现在把这两个钟摆一个放在地面上，一个放到一艘宇宙飞船上，宇宙飞船的飞行速度接近光速，在飞行的时候，飞船开了大灯，一束光从宇宙飞船的头上照射出去了。爱因斯坦的假设是，不论是用地面上的钟摆来测量这束光的速度还是用飞船上的钟摆来测量光的速度，都应该是一样的。速度的计算公式是距离除以摆动的次数。你可能会说，速度不是距离除以时间吗？别忘了我们不知道时间是什么，我只是用来回摆了多少次来代表时间。摆动的次数多，我们就认为时间长，摆动的次数少，我们就认为时间少，我们只关心怎么测量时间，不关心时间到底是什么。于是，站在地面上的你就会发现，那束光离地面上的钟摆的距离增量，总是会大于那束光离飞船上的钟摆的距离增量，因为飞船上的钟摆也在和光一起朝前运动。这样一来，如果爱因斯坦的假设是正确的，结论就很奇怪了，要保证距离除以摆动次数的数值始终保持相同，就必然要求两只钟摆的摆动周期不相同了。可明明两只钟摆都在地面上的时候摆动周期是严格同步的啊。
你也可以把刚才这个例子中的钟摆换成自己的心跳，假如你站在地面上，你的双胞胎哥哥在宇宙飞船上，那么当你的心脏跳动了100次时，你哥哥的心跳可能只跳动了10次，具体是多少下，要看飞船的运动速度有多接近光速。
这个结论对于当时的物理学家们来说，要多奇怪就有多奇怪。这也就意味着，时间不是永恒不变的，是有可能随着相对运动的速度不同而变化的。飞船上的一天有可能等于地面上的一年。
所以，用爱因斯坦的观点来看，穿越到未来这种事情是有可能发生的，只要运动的速度足够快，你想穿越到未来什么时候就可以穿越到什么时候。请大家注意一点，根据爱因斯坦的理论，只要你比别人运动得快，你的时间在别人看来就会更慢，只是程度不同而已。所以，哪怕你骑个自行车，也相当于在向着站着不动的人的未来穿越，只不过穿越的时间很少很少而已。
爱因斯坦的这个理论在科学界被称为“狭义相对论”，在刚刚提出的时候，那当然是遭到了一片的反对声。因为这个结论非常地反直觉，不论是哲学家还是爱因斯坦之前的科学家，自古以来都认为时间就是永恒流逝的，是独立于我们的物质世界之外的东西。还有一个原因，毕竟爱因斯坦的这个理论是建立在光速不变这个假设上的，只有这个假设是成立的，后面的所有推论才是成立的，而这个假设到底是不是真的成立呢？至少在爱因斯坦刚刚提出理论的那会儿，大多数科学家是不赞同的。
但是，科学结论有一个最大的特点，那就是可以得到实验的检验。不论多么怪异的结论，只要这个结论是可以被检验的，那就好办，是对是错，用实验证据来说话。假如实验的结果与理论预测的结果一致，那么就可以反过来证明爱因斯坦作出的大胆假设是正确的。其实，要作出一些大胆的假设并不难，胆大的人很多，但是要根据这个假设作出能够被实验检验的预言就非常难了。这也是判断科学结论和非科学结论的一个标准。
那么，科学家们是否成功验证了狭义相对论呢？穿越到未来有实验证据吗？答案是有的。第一次实验是1971年，科学家们准备了两组跳动周期完全一样的原子钟。一组停留在地面，一组搭乘航班做环球飞行，当飞机停下来后，两组原子钟记录下来的跳动次数果然不同，而且具体的数值与爱因斯坦的理论计算值非常接近。你也可以把原子钟的跳动想象成自己的心跳。后来，各种各样更加精确的实验被陆续完成，全都证明爱因斯坦是对的。
今天讲的是“时间旅行之谜”的上节，科学已经向我们证明，穿越到未来是完全有可能的，只是很难很难。下一节我们要来谈回到过去是不是也有可能呢？这才是更有意思的话题，也或许这才是你真正想知道的。
回到过去
上一节我们说了，科学家们已经证明，向前穿越到未来是完全有可能的，那么，能不能找到某种途径回到过去呢？这个问题远比穿越到未来要复杂得多。
1985年，著名的天文学家、科普达人卡尔·萨根写了一本科幻小说，这是他一生中的唯一一本科幻小说，名字叫作《接触》（Contact）。在这本小说中，因为情节需要，女主角要在很短的时间内抵达银河系的中心，并且环游银河系，所以，他需要设计一个时空穿越的基本原理。卡尔·萨根是一个科学家，他对自己的幻想要求很高，所有的幻想都要找到科学依据。
有些科学爱好者听到这里，可能马上就会想到，超光速就行了呗。确实，有很多科幻作家喜欢用超光速运动来穿越，但是作为严谨科学家的卡尔·萨根可不会这么干，因为超光速运动违反了我们已知的物理定律，用超光速来实现穿越是没有什么科学依据的。一开始，卡尔·萨根的设想是从一个黑洞跳进去，从另外一个白洞喷出来。
黑洞是广义相对论计算出来的一种奇特的天体。这个天体的表面引力非常大，以至于光都逃不出去。因此这个天体是黑的，很难被发现。爱因斯坦在1915年推导出了广义相对论，这个理论把引力解释为时空弯曲。地球绕着太阳转也可以解释为地球在弯曲的时空里走了一条最自然不过的路线。就像皮球滚下山坡，皮球也会自己找到一条最合适的路线一样。
我们可以这样理解黑洞，你把太阳周围的时空想象为一个碗，地球就像一个小球在里面贴着碗壁转圈圈。而黑洞不是个碗，是一个漏斗，如果小球已经掉进了中间的洞里，任凭小球转得多么努力，也无法避免一直掉下去的命运。
无论是碗也罢，漏斗也罢，都是爱因斯坦场方程计算出来的一个解，实际上，这个场方程可以有无数个解。1935年，爱因斯坦和美国的助手罗森两个人计算出了一个有趣的解，这个解就好像是个沙漏的形状，相当于一个黑洞和一个白洞的漏斗喉部对接起来，这个结构被称为爱因斯坦-罗森桥。在这个结构中，似乎可以从一个时空点跳跃到另外一个时空点，说通俗点就是时空的穿越。大家注意，我说的时空点跳跃就已经包括了时间和空间的跳跃。
卡尔·萨根当然是知道爱因斯坦-罗森桥的。他在写小说的时候，就是按照这个设想，从一个黑洞跳进去，所有物质都压向黑洞中间的奇点，然后从另外一个白洞里喷出来。这不就实现穿越了吗？因为卡尔·萨根的本职工作并不是理论物理，他自己有点吃不准，于是他就去请教好朋友基普·索恩。这位好朋友就是2017年因为发现引力波而获得诺贝尔奖的著名理论物理学家。索恩认为，爱因斯坦和罗森计算出来的那个结果是没办法进行穿越的，因为对接的喉部是堵死的，要想搞穿越只能靠虫洞，说白了就是把喉部撑开，否者任何物质都无法通过，只有虫洞，才有可能实现回到过去时间点的想法。
卡尔·萨根听取了索恩的意见。这部小说非常成功，拿下了科幻界的最高奖——雨果奖。后来还拍成了电影，成了科幻史名著。索恩和他的学生也因此被激发起了对虫洞的兴趣，这才有了后来的著名科幻电影《星际穿越》。
1988年，索恩和学生莫里斯发表了一篇论文。这篇文章发表在了《美国物理学》杂志上。这本期刊的名头听上去很大，“国字号”的，其实只是给物理教师看的半科普杂志。经过他们的计算，搞出了一个真的可以穿越的解，似乎时空穿越是有物理学理论支持的。但是大家还是别高兴得太早。索恩的虫洞需要一样特殊的物质，也就是负能量物质。
我们看到所有物质都是具有正能量的，正能量会使得时空弯曲，能量越集中，那么弯曲就越厉害，黑洞就属于时空被完全封闭了起来。负能量物质是理论上存在的一种物质，它的作用刚好相反。因此虫洞的喉部是可以用负能量撑开的，撑到足够大，才能允许一个人钻过去。
但是，根据计算，撑开一个半径1厘米的虫洞，就需要地球质量的负能量物质。1厘米的虫洞是不能用来穿越的，只能用来偷窥。即便撑开一个几十米的虫洞，也不能用来穿越，因为如果人离开管壁距离不够大，是会被撕碎的。起码直径要达到一光年这么粗才能安全地穿越。但这几乎是一个不可想象的能量，因为哪怕要撑开一个半径1000米的虫洞，就需要相当于整个太阳质量的负能量物质了。
不过，从理论上来说，基普·索恩计算出来的虫洞是个稳定存在的虫洞，这种类型的虫洞叫作“洛伦兹虫洞”。你从洛伦兹虫洞穿越，相当于抄近道走捷径，但再短的捷径也还是要花时间才能通过。还有另一种“欧几里得虫洞”。这种虫洞描述起来就像科幻小说里面的“瞬移”，突然发生，突然消失。欧几里得虫洞需要极强大的磁场，只有高速旋转的中子星周围大概能有这么强大的磁场，但是我们显然没办法去中子星边上检验一下。
虽然基普·索恩认为虫洞可以让人回到过去，但是反对这种想法的科学家就更多了。他们的理由很简单，回到过去会发生逻辑上的悖论，因而回到过去是不可能的。
比如说著名的“外祖母悖论”。假如你穿越回去，趁着你的外祖母生孩子之前杀死了她，那么，既然你母亲的母亲都不存在了，怎么会有你的出生，又怎么能有你回到过去杀死外祖母呢？这是一个无法解决的矛盾。
所以，已故的著名物理学家霍金就认为，我们的宇宙依赖于因果律，一定有某一条我们尚不知道的物理定律在保护着时序不被打乱，也就是说回到过去的时间旅行是无法完成的。
然而另外一些科学家则辩护说，我们坚信虫洞的存在，也相信回到过去是可能的。逻辑矛盾也并不是完全无法解决，或许有这样几种可能性：
第一种：自由意识丧失说。就是说，你回到过去之后，就会完全被历史所控制，你就会像一个不受自己支配的演员，只能按照写好的剧本演戏。
第二种：时空交错说。就是说，你回到的那个时空和真实的历史时空是平行纠缠在一起的，但永远不可能相交，你可以看见历史，但不能影响历史。是的，只能看，不能摸。
第三种：平行宇宙说。就是说，当你干下了任何改变历史的事情时，宇宙就分裂成了两个平行的宇宙，在我这个宇宙中希特勒最后自杀了，在你那个宇宙中希特勒最后成了全世界的统治者。
但你可能也会跟我一样想到这样一个问题，我们现在是没有能力制造时间机器的，但是未来人呢？如果在遥远的未来有人造出了时间机器，那么，那个人是不是就有可能乘坐时间机器回到现在或者以前的时代呢？但为什么我们从来没有见到这样的未来人呢？历史上也从未记载有未来人光临。假设未来无限远的话，假设时间机器确实可以造出来的话，那么概率再小也应该有未来人回来了啊。有这个想法的人还真不少呢。2005年，为了庆祝国际物理年，同时也是为了庆祝相对论诞生100周年，美国麻省理工学院举办了一场“时间旅行者大会”，举办方郑重地在报纸上刊登广告，邀请未来的时间旅行者光临会场，并且携带未来的物品作为证据。大会开了一天，确实来了很多“旅行者”，可惜没有一个能让人相信是“时间旅行者”。这些旅行者都辩称时间旅行只能光着屁股旅行，就像施瓦辛格扮演的终结者那样，所以他们没有信物。
你别笑，这还真是支持回到过去派遇到的大麻烦。为此，有些科学家就猜想，或许，回到过去最多只能回到时间机器制造出来的那一天，时间机器就相当于是一个路标，没有路标的时代就再也回不去了。
目前来说，是否能反向时间旅行依然是一个宇宙未解之谜，人们对时间的本质也还有很多的争论。比如时间箭头只有一个方向到底是不是一个牢不可破的宇宙法则呢？到底有没有一条自然法则在保护着宇宙中的因果关系呢？这一切都在等待科学的解答。