在愛因斯坦相對論面世以前，所有關於時間旅行的故事都只能算是天馬行空的幻想。現在，除了在太空軌道高速飛行的太空人在穿越時空，連微觀尺度下的μ子也在穿越時空。不過他們只能向未來穿越。未來，我們能否穿越到過去？或許，我們需要一種完全不同的蟲洞。
1895年，赫伯特·喬治·威爾斯(H.G. Wells)發表了他的第一部小說《時間機器》（Time Machine）。這時，有著200年歷史的牛頓物理時代也即將走向衰落。在1905年，阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)發表了狹義相對論理論，這讓艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的理論遇到了巨大的麻煩，但威爾斯卻因此高興不已。在愛因斯坦的理論中，許多在牛頓構建的世界下不可能發生的事情都有了轉機，比如飛向未來的時間旅行。
時間旅行不僅是可能的，它已經實實在在地發生了，儘管和威爾斯的想像可能不完全一樣。根據普林斯頓大學天體物理學家J·理察·戈特(J. Richard Gott)所說，迄今旅程最長的時間旅行者是謝爾蓋·克裡卡列夫(Sergei Krikalev)。在職業生涯中，這位俄羅斯太空人在太空中呆了803天。就像愛因斯坦所證明的那樣，相比較那些靜止的物體而言，運動物體的時間流逝會更慢一些。所以當克裡卡列夫在和平號空間站（Mir space station）裡以27 359千米/小時的速度在軌道上運動時，時間流逝的速率與地球上的並不相同。當克裡卡列夫在空間站時，他比那些地球上的夥伴們年輕了1/48秒。換而言之，他向未來穿行了1/48秒。
在太空中飛行803天之後，克裡卡列夫(左)已經向未來前進了1/48秒。
對於高速物體長距離運動而言，時間穿梭的效應更加明顯。如果克裡卡列夫現在離開地球，並以光速的99.995%在獵戶座的恆星參宿四（Betelgeuse；距離地球520光年）與地球之間做一趟來回飛行。當他回到地球時，僅僅老了10歲，但是非常遺憾的是，他認識的所有人都早已去世，因為地球上已經過了1 000年。戈特說，「我們已經知道，我們可以做到向未來飛越，這僅僅是錢和工程技術的問題。」
儘管在實踐時有很多的困難，但是向前穿越幾個納秒（甚至幾個世紀）卻是非常直觀和容易理解的。然而，回到過去就難得多。起初，愛因斯坦的狹義相對論是禁止向過去穿越的，經過10多年的努力，在他發表廣義相對論時，已經在理論中消除了對回到過去的限制。可是，如何讓人回到過去依舊是一個非常棘手的問題。廣義相對論方程有很多的解，不同的解將會賦予宇宙不同的性質，只有在某些特定的解中，才能創造出可以返回過去的條件。
目前我們還不清楚，其中是不是有一個解確切地描述了我們的宇宙。而這個問題又引出了更深層次的一些研究課題：比如，到底要在基礎物理領域中做出多少細微的調整，才能允許我們回到過去？即使愛因斯坦的理論沒有禁止我們回到過去，但是我們的宇宙本身會不會通過某種方式阻止這樣的旅行？物理學家一直思考著這些問題，並不是因為他們想像著某天時間穿越能成為現實，而是因為思考時間穿越的可能性，能讓我們對自身居住的宇宙有更深入甚至意想不到的認識，比如，最初它是怎麼產生的。
威爾斯很有先見性地認為，我們生活在一個由三維空間和一維時間交織在一起的四維時空當中。而愛因斯坦的狹義相對論在某種程度上，讓威爾斯十分欣喜，因為它讓時間有了延展性。當時，愛因斯坦在研究什麼？首先，儘管所有的運動都是相對的，但在宇宙任何地方，在任何人看起來，物理定律必須是一樣的。第二點，從任何一個參考系觀察，光速必須是不變的：如果每個人都看到了同樣的物理定律在起作用，那麼當他們測量光速時，一定會得到相同的結果。基於這兩點思考，愛因斯坦獲得了突破性的成功。
為了讓光速成為普適的速度限制，愛因斯坦必須拋棄兩個常識性的概念：對於一段給定的長度，所有觀測者得到的觀測結果都一樣；對於所有人來說時間流逝的快慢是一致的。他證明，當一個時鐘快速地經過一個靜止的人時，運動時鐘要比這個人身旁的靜止時鐘走得慢。同時，快速運動的尺子，長度也會縮短。而對與時鐘和尺子按照同一速度運動的人來說，時間的推移和尺子的長度都是正常的。
在低速下運動時，狹義相對論的時空扭曲效應是可以忽略不計的。但是對於運動速度接近光速量級的物體而言，這種效應是真實存在的。比如，許多的實驗已經證實，一種叫做μ子(muon)的不穩定粒子在以接近光速的速度運動時，衰變速率減慢了一個數量級。實際上，這種高速運動的μ子，就是縮小版的時間旅行者（亞原子層次上的克裡卡列夫），它向未來跳躍了幾個納秒。
那些快速運動的時鐘、尺子和μ子都是在向未來運動，他們是否能夠回到過去？庫爾特·哥德爾（Kurt Gödel）利用廣義相對論描述了一個可以穿越到過去的宇宙,他也是第一個找出這樣的宇宙的人。他是著名的不完備定理（the incompleteness theorems）的創立者，這個定理劃定了數學能夠證明什麼和不能證明什麼的範圍。
愛因斯坦70歲生日的時候，哥德爾將這個宇宙模型作為禮物送給了愛因斯坦，但愛因斯坦對這樣的宇宙模型充滿了懷疑。哥德爾所描述的宇宙具有兩個獨特的性質：它是旋轉的，這樣就能提供離心力，防止宇宙中的物質塌縮到一起，也就滿足了愛因斯坦對於任何一個宇宙模型都必須穩定的要求。但是，它同時允許向過去穿越的時間旅行，這一點讓愛因斯坦深深不安。在哥德爾的宇宙模型中，一個太空旅行者出發後，能夠最終到達她（他）自己過去的某一點，好比旅行者在一個巨大圓柱體的表面走完了一圈。物理學家將這個時空軌跡稱之為「閉合類時曲線 」(closed timelike curves)。
在時空中，一個閉合類時曲線可以是任何能夠返回到自身的路徑。在哥德爾的旋轉宇宙中，這樣的曲線就像地球表面的緯度線一樣環繞整個宇宙。物理學家已經設計出了很多不同類型的閉合類時曲線，至少在理論上，所有這些曲線都是允許回到過去的。不過，沿著任何一條曲線的旅行都會顯得平淡無奇、甚至讓人失望，你通過飛船的舷窗看到是恆星和行星這些宇宙空間中的尋常景象。更為重要的是，在這次的旅途中，你自己鐘錶上的時間將會按照正常的速率向前流逝，儘管你會回到過去的一個時空位置上，但是時鐘的指針卻並不會因此反向轉動。
朱利安·巴伯 (Julian Barbour)是一位獨立的理論物理學家，他說，「早在1914年的時候，愛因斯坦已經意識到了閉合類時曲線可能存在。」據巴伯回憶，愛因斯坦曾說過：「我的直覺強烈地反對它。」這類曲線的存在會給因果律帶來各種各樣的問題。如果事情已經發生，過去如何能被改變？還有一個古老的祖父悖論：如果一個時間旅行者在他的祖父遇見他的祖母之前，就將祖父殺死，那麼在這個時間旅行者身上會發生些什麼，這位瘋狂的旅行者還會出生嗎？
幸運的是，對於那些因果論的愛好者來說，天文學家目前沒有發現任何宇宙在旋轉的證據。哥德爾自己也曾苦心鑽研星系列表，尋找可能證明自己理論的線索。或許哥德爾沒有設計出一個真實的宇宙模型，但他的確證明了閉合類時曲線和廣義相對論的方程是完全相容的。物理定律並未排除向過去穿越的可能。
在過去的幾十年中，宇宙學家已經利用愛因斯坦的方程，構建了許多不同的閉合類時曲線。哥德爾要求整個宇宙有某種特性才能使其存在，但是，最近的一些熱衷於時空穿梭的人發現，在宇宙局部區域彎曲時空也能製造出閉合類時曲線。
在廣義相對論中，行星、恆星、星系和其他大質量天體都會彎曲時空。彎曲的時空反過來將會引導這些大質量物體的運動。就像後來的物理學家約翰·惠勒(John Wheeler)所說的，「時空告訴物體如何運動；物體告訴時空如何彎曲」。在非常極端的情形中，時空或許能彎曲到一定的程度，從而創造出從現在回到過去的路徑。
物理學家們已經提出了一些非常奇怪的機制，試圖創造這樣的路徑。在1991年的一篇文章中，戈特證明如何在兩根宇宙弦（cosmic string：一種無限長，比原子尺度還要薄的結構，或許形成於宇宙早期）交匯的地方產生閉合類時曲線。1983年，加州理工學院的物理學家基普·索恩 (Kip Thorne)開始探討一種叫做蟲洞的閉合類時曲線的可能性（蟲洞是一種連接不同時空地點的通道），這種蟲洞或許允許回到過去。「在廣義相對論中，如果你連接了兩個不同的空間區域，那麼你也連接了不同的時間區域」，肖恩·M·卡羅爾(Sean M.Carroll)說，他是索恩在加州理工學院的同事。
進入蟲洞的入口將是球形的，它是一個進入四維通道的三維入口。像所有的閉合類時曲線一樣，通過蟲洞的旅行「和其他旅行沒什麼不同」，卡羅爾說，「並不是你在這個時刻消失，然後在另外一個時刻被重新組裝起來。目前還沒有任何合適的理論允許這種科幻似的時間旅行」。對於所有的旅行者而言，他補充道：「時間都是在一秒一秒地向前流逝，只是你當地時間『向前』的速率和宇宙其他地方不那麼同步而已」。
儘管物理學家能夠寫出描述蟲洞或者其他閉合類時曲線的方程，但所有的模型都有嚴重的問題。卡羅爾說，「首先，為了得到一個蟲洞，你需要負能量」。一塊空間中的能量會自發漲落，當它小於零時，就會出現負能量。如果沒有負能量，蟲洞的球形入口和四維通道就會瞬時向內塌縮。對於能被負能量一直支撐，並且保持開放狀態的蟲洞，卡羅爾說：「看起來非常困難，甚至是不可能的。在物理上看來，負能量也是很糟糕的一件事。」
即使負能量能夠保持蟲洞敞開，在你想藉此製造時間機器時，「粒子會穿過蟲洞，而且每個粒子都會來回穿梭無限多次，」卡羅爾說，「這可會產生無窮大的能量。」而巨大的能量會讓時空變形，使整個蟲洞塌縮成黑洞（一個在時空中無限緻密的點）。卡羅爾說：「我們不是100%確信這一切會發生，但是看起來非常有可能。實際上宇宙正在通過製造黑洞來阻止你製造一架時間機器。」
即使蟲洞在現實環境中行不通，但它符合廣義相對論的事實也有重要的意義。「我覺得非常奇妙，即使距離將時間旅行掃地出門只有一步之遙，但我們就是沒法做到，這也讓我有些懊惱，」卡羅爾說。更令人惱火的是，在愛因斯坦優美的理論中，居然允許存在看起來幾乎不可行的事情。但是仔細考慮這些令人心煩的可能性，物理學家或許可以對我們所居住的宇宙有更深入的理解。或許，如果我們宇宙不允許向過去穿越，那它就根本不會存在。
廣義相對論在最大的尺度上描述了宇宙，而量子力學則提供了原子尺度上的說明書。同時，量子力學為閉合類時曲線提供了另一種可能出現的場合——宇宙起源之時。
威斯康辛大學密爾沃基分校的物理學家約翰·弗裡德曼（John Friedman）說：「在極小的尺度上（10–30釐米），時空的拓撲結構可能發生漲落，如果沒有出現任何基本層面的理論障礙，隨機漲落中或許會出現閉合類時曲線。」那麼能不能用某種方法放大和控制量子漲落，把它變成時間機器？「雖然沒有明確的證據說明不能在宏觀尺度上擁有閉合類時曲線，」弗裡德曼說，「但是，凡是考慮過這些問題的人們都不支持這種觀點。」
毫無疑問，不管是在量子尺度還是在宇宙尺度上，創造一個時空的環路都是需要非常極端的物理條件。戈特說，最有可能出現極端物理條件的地方，就是宇宙最開始的地方。
1998年，戈特和天體物理學家李立新共同發表了一篇文章，在文章中，他們認為閉合類時曲線不僅是可能的，而且對解釋宇宙起源是非常必要的。戈特說，「我們研究了宇宙孕育出自己的可能性，也就是說，宇宙最開始那一刻的閉合時間迴路，能否讓宇宙創造出自己。」
戈特和李立新的宇宙模型就像標準的大爆炸宇宙學（一種遍及各處的能量場驅動了宇宙的初始膨脹）一樣，以一段暴脹作為開始。現在，許多科學家都相信，暴脹除了形成我們所在的宇宙，還形成了無數其他的宇宙。「暴脹一旦開始，就很難停止，」戈特說，「它就像一株具有無窮條枝杈的樹，我們只是其中一個分枝。但是，你必須問自己，主幹來自哪裡？李立新和我認為，很有可能是其中一個分枝迴環構成了一個循環，然後成長為主幹。」
如果對戈特和李立新的自啟動式宇宙做一個非常簡單的二維速寫，它看起來就像是數字「6」，時空的環路位於底部，我們現在的宇宙位於頂端。戈特和李立新從理論的角度推斷，突然出現的暴脹允許宇宙從時間環路中逃離，並且膨脹成我們當前居住的宇宙。
要理解這個宇宙模型有些困難，但是戈特卻認為，這個理論最吸引人的地方在於，它消除了「憑空創造出一個宇宙」的需求。然而塔夫茨大學的亞歷山大·維蘭金(Alexander Vilenkin)，劍橋大學的史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)，和加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的詹姆斯·哈妥（James B. Hartle）共同提出了一個模型，在這個模型中宇宙就是憑空產生的。根據量子力學，真空並不是絕對的空，它充滿了虛粒子，這些粒子會自發產生並且迅速湮滅。霍金和他的同事理論推測，我們的宇宙也同樣來自量子真空。但是在戈特看來，宇宙不是產生於「虛無」，它應該是從它自己中誕生的。
目前，我們沒有任何的辦法來驗證這些理論中有哪個可以真正解釋宇宙的起源。「我們通過查看一些極端環境來測試物理定律。對於向過去穿越的時間旅行，邏輯上沒有任何限制，只是它不符合我們已經熟悉甚至習慣的宇宙而已，」戈特說，「我們的宇宙如何走到了現在，這才是重要的。」
相比於物理，這些瘋狂的推測和想法更貼近哲學。但是，量子力學和廣義相對論（強大並且反直覺的理論）已是目前能夠幫助我們弄明白這個宇宙的全部理論。在未來，會不會出現新的理論，完全否定向過去穿越的可能性？或者說，新的理論讓我們再次驚嘆原來宇宙比我們想像的更加奇怪？
在愛因斯坦重新定義了時間之後，物理學已經取得了突飛猛進的發展。曾經，時間穿越只存在於威爾斯的小說中，現在，我們在現實生活中，至少能實現向未來穿越。當我問戈特，是不是很難相信宇宙間存在某種對稱性，讓我們可以在時空中穿行？他用一則軼事回答我說，「一次，愛因斯坦和一個年輕人聊天。年輕人抽出筆記本，在上面寫下了一些東西。愛因斯坦問，那是什麼？年輕人說，一個筆記本，只要我有好想法，就會把它記下來。愛因斯坦說，我從來不需要筆記本，因為我只有三個好的想法。」
戈特說：「我想，我們在等待一個新的好想法。」
撰文：蒂姆·福爾傑（Tim Folger）
翻譯：苟利軍
《環球科學》2019年2月刊現已上市
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