時間旅行的科學依據是什麼?

[摘要]《尋找時間的邊緣：黑洞、白洞和蟲洞》一書向讀者展示了現代物理學的想像究竟有多奇特？包括世界的本質、空間與時間的奧秘是什麼？時間旅行的科學依據是什麼？建造時間機器的兩種路徑在哪？等。

《尋找時間的邊緣：黑洞、白洞和蟲洞》，【英】約翰·格裡賓 著，海南出版社

本文摘自《尋找時間的邊緣：黑洞、白洞和蟲洞》，【英】約翰·格裡賓 著，王大明、李斌 譯，海南出版社，出版時間：2014年7月。

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並且（恰好）生下了一個小女孩給人收養。這一生育所導致的複雜後果是，「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」，並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，那麼又會發生什麼呢？我們如何用現代物理學的語言描述一次簡單的時間旅行？

最好的方式是藉助時空圖。想像一下，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並肩而坐。然後，他關掉機器，兩個發明家交流了幾句，最後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。理察·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，並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，並且向頁面上部移動），你看到發明家的世界線隨著時間的流逝而延長，但是他仍然處於相同的位置。突然地，稍年長的發明家莫名其妙地出現了，坐在時間機器裡面。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。坐在時間機器裡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菸蒂，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並且藏到口袋裡。

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後與發明家的最初世界線重疊。

費曼的圖表實際上用於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於描述在「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夥伴粒子相互湮滅，將能量債務補償給真空，以致初始的虛夥伴粒子能夠在這個位置被升級為真實粒子，那麼這些平衡關係能夠完全令人滿意地實現。在那種情況下，來自於圖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，然後在時間上後退，然後再次前移。換句話說，當電子在時間上後退的時候，正電子也是完全一樣的。

你甚至不需要藉助虛粒子來玩這個遊戲。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製造出來。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於一個「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製造出來的。但是翻版發明家的質能來自哪裡呢？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於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幹線獲取能量（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，並且相對於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。這裡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，那麼我們肯定可以使用這些粒子傳遞信息。想像一下，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。假定我們倆都遵守承諾，那麼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並沒有錯，唯一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於光。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。

（本文為騰訊文化獨家籤約的合作方內容，未經允許不得轉載）