加來道雄:時間旅行可以實現

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心提示：加來道雄是弦論方面的理論物理學家，同時也是幾本物理科普著作的作者，這其中便包括《多維空間與幻想：科學將如何徹底改變21世紀》，此外，他還是一個每周播出的電臺科學節目的主持人。

加來道雄是弦論方面的理論物理學家，同時也是幾本物理科普著作的作者，這其中便包括《多維空間與幻想：科學將如何徹底改變21世紀》（Hyperspace and Visions: How Science Will Revolutionize the 21st Century），此外，他還是一個每周播出的電臺科學節目的主持人。

近期他接受了《科學美國人》的採訪，暢談了時間旅行的可能性以及他對科學和流行文化的看法，經過編輯的採訪實錄如下。

《科學美國人》：大家對時間旅行的看法都經歷過哪些變化？

加來道雄：在上世紀90年代，如果一個正經的物理學家討論起時間旅行，他會被整個科學圈所恥笑。大家會在背後非議他，他的科學聲譽也會破壞殆盡，再也拿不到終身職位。而在過去的20年時間裡，科學界對時間旅行的態度發生了巨大的變化，我在《多維空間》（Hyperspace）這本書中也表達了這個觀點。曾經，物理學家需要去證明時間旅行是可行的，而現在反倒是想證明時間旅行不可能的物理學家有壓力了。

《科學美國人》：從什麼時候開始，科學家開始認真思考時間旅行的問題了呢？

加來道雄：1949年，愛因斯坦在普林斯頓的同事，也是過去一千年中最偉大的邏輯學家之一的庫爾特•哥德爾（Kurt Gödel）找到了愛因斯坦廣義相對論方程的一個解，這個解描述的宇宙是旋轉的。如果宇宙真是旋轉的，那麼你乘一艘火箭環繞宇宙航行時，會在出發前就返回。

愛因斯坦也為這個解感到十分困擾。在牛頓看來，時間的長河是筆直、連續且始終如一的，它從不偏離，並始終以相同的速度流逝，以自己的這種方式帶著世間萬物同行。後來愛因斯坦認為，時間「並沒有這麼穩定，時間的長河蜿蜒曲折，會在恆星和星系周圍加速或者減速」。到了1949年，哥德爾發現時間長河中還可能存在漩渦，這就是所謂的「閉合類時曲線」。在愛因斯坦的回憶錄裡，他承認這的確是他方程的解，但是他同時認為我們可以從物理上將它們捨去——因為宇宙是在擴張的，並沒有轉動。

科學家們在重新檢查愛因斯坦方程之前的一些解的時候，發現還有其他解同樣允許時間旅行。1937年，W•J•範斯託克姆（W. J. van Stockum） 得到的一個解是一個旋轉著的無限長圓柱體，就像五月柱一樣（歐洲人在傳統的五朔節時用樹幹做成的柱子，上面漆成五顏六色，頂上掛著花環，花環上拴著彩帶，所有人圍著它歡歌起舞），如果繞著這個「五月柱」跳舞，你會在出發前回到原來的位置。1963年，數學家羅伊•克爾（Roy Kerr）發現自轉的黑洞會塌縮成一個由壓縮物質組成的環，而不是一個點。如果你從這個環中間穿過去，你可能會經歷時間倒流，甚至穿行到另一個宇宙。數學家稱這種空間為「多連通空間」（multiply connected space），物理學家則稱之為蟲洞。在20世紀80年代末期，加州理工學院的物理學家基普•索恩（Kip Thorne）及其同事發現了愛因斯坦方程的另一組解，這些解表明蟲洞是可以穿越的。就像是連接平行宇宙的一架電梯一樣，這些解有一個「上行按鈕」和一個「下行按鈕」，在某些情況下，你可以像電影中那樣輕鬆地穿過它們。你可以像愛麗絲一樣進入「鏡中世界」，然後再回到原來的世界中。

《科學美國人》：那麼蟲洞可以從哪裡產生呢？

加來道雄：我們可以從真空中把蟲洞給抓出來，因為它們無處不在。我們認為在非常小的尺度（10^-33釐米）上，時空充滿了泡沫。在這種量子尺度，主要的結構可能是蟲洞、小泡沫以及憑空產生繼而湮滅的宇宙。如果你可以操縱這些所謂的量子泡沫的話，那麼你就可以穿越某一個小泡泡。基普•索恩提出了一個時間機器設計方案，他說我們也許可以抓住這些泡泡中的一個，將它擴大，再利用負能量將它穩定，從而獲得一個蟲洞。

《科學美國人》：負能量？

加來道雄：負能就是比真空態更低的能量，或者是「沒有任何東西的靜止狀態」（the state of motionless nothing）。我們設想有兩個不帶電的平行板，因為它們都是靜止的，所以可以認為它的能量為零。但是如果你真的（用量子場論）計算它的能量的話，你會發現板間其實充滿了運動的虛粒子。這些虛粒子使得兩板間壓力小於板外壓力，於是平行板就會被擠向一起。本來兩板處於能量為零的狀態，因而當兩者距離減小時會進入能量更低的狀態，這就是所謂的卡西米爾效應。這個效應極其微弱，需要使用極為精密的實驗設備才能探測到，但是它是真實存在的，並非科幻小說的幻想——我們已經在實驗室觀測到了負能量。

《科學美國人》：科幻電影中將粒子「傳真」到過去的做法有科學基礎嗎？

加來道雄：在過去的十年中，「量子傳輸」（quantum teleportation）領域取得了巨大的進展，這不再僅僅是只能出現在科幻小說裡的事物了。實在地說，我們現在談的不是穿越時空傳送柯克船長，而是對單個光子進行空間傳送。也許再過幾十年，我們就可以首次傳送由幾千個分子構成的病毒，但是在當下，這就是我們能做的極限。並且我們也只能在空間傳送物體，而不是進行時間傳送。然而物質傳送的概念並非是痴人說夢，這個概念在我的書裡也提出來了，所以說這一點還是有一定事實基礎的。

《科學美國人》：在電影《時間線》裡，片中角色旅行到了公元1357年的法國，因為蟲洞恰好通向那兒。他們有六個小時的時間返回，但過去的六小時和當前的六小時是同步的。這有什麼道理嗎？

加來道雄：這就得視情況而定了。關於時間機器，現在有很多的設想。從真空產生的蟲洞會隨機地將時空中的任意兩點連接起來，因此沒有人知道它的另一端會通向什麼地方，蟲洞應該更有可能會連接到我們的過去而非現在。另外，如果蟲洞的每個開口相對於彼此靜止不動的話，那麼在每個開口處時間流逝的速度就會一樣快。

《科學美國人》：建造一臺這樣的時間機器的可行性有多大呢？

加來道雄：實際上這需要整個恆星那麼多的能量。這就需要一個比我們遠遠先進的文明，極為先進的文明，才可能有能力去操縱負能量來產生回到過去的時空門。但是一旦你可以獲得如此大量的負能量的話，你就可以製造一臺時間機器，不但遵循愛因斯坦方程，也可能遵循量子理論。你需要弦論來調和所有理論上的分歧，比如確保當你打開或者關閉時間機器時大量湧出的引力子不會把你煮熟了。也許一些悲觀主義者會說量子效應仍然可能會導致時間機器爆炸，但到現在證明的責任已經落在了他們的身上：以前是相信時間旅行的人需要證明時間旅行的可行性，現在反倒是懷疑時間旅行的人需要去證明時間旅行的不可能性——而直到現在所有的這種嘗試都失敗了。

《科學美國人》：難道時間旅行不會導致悖論嗎？

加來道雄：現在主要存在四五種類型的悖論。其中最著名的就是所謂的「祖父悖論」，它是說如果你回到過去並在你出生前殺死了你的父母，那麼你又怎麼能出生並在你出生前去殺死你的父母呢？對於這個問題主要有兩個學派。第一個是俄羅斯學派。哥本哈根大學的伊戈爾•諾維科夫（Igor Novikov）是一位著名的宇宙學家。他認為如果人回到過去，那麼由於某種原因，人的自由意志會受到限制。總會發生某些事情阻止你在你出生前殺死你的父母。或者我們舉個例子吧，如果你回到了英國伊莉莎白女王的軍隊打敗西班牙無敵艦隊的時候，並給了西班牙一艘載有機關槍的潛水艇，從而改變了人類歷史，那麼我們現在都在說西班牙語了。諾維科夫認為這是不可能發生的，當你回到過去並且要把潛水艇交給西班牙的時候，一定會有一些事情會阻止你。然而我的觀點是，未來的高級文明也許可以直接把潛水艇傳送給西班牙，這樣就不用擔心自由意志受到限制了，無生命的物質也可以通過時間機器而改變歷史。這也是我對諾維科夫的解釋持保留態度的原因：認為宇宙定律會協助阻止悖論的產生，這要求恐怕也太高了。

《科學美國人》：那怎麼解決這個悖論呢？

加來道雄：我更傾向於「多世界」解釋。（編輯註：量子物理用概率波函數描述一個粒子，因此它的位置在波函數坍縮前是不確定的，直到波函數坍縮後粒子才有了確切的位置，雖然這是隨機決定的。）多世界理論認為波函數也許從來都不會坍縮，也許它每次遇到障礙物都會分叉。因此隨著波函數不斷地分叉，時間線也在不斷地分叉。我們只是恰好在波函數的這一支罷了，卻誤以為我們是唯一的一支。在其他的分支，那裡的人也會覺得自己是唯一的一支。而實際上，沒有任何人的波函數坍縮了。

至於時間旅行，其實就是從波函數的一支到另一支，從一條時間線到另一條時間線，這些時間線看起來非常相似。如果多世界理論是對的，那便意味著如果你回到過去並在你出生前殺死了你的父母，那麼他們就成了別人的父母，時間線在此處就分叉了。你的父母僅僅在你的世界，你的時間線裡生下了你。所以，如果我們有了多世界理論，那麼就不存在所謂的悖論了，只是存在不同的時間線而已。

《科學美國人》：物理學家研究時間機器的價值究竟在哪兒呢？

加來道雄：在物理學領域有一條定理：一件事情，如果沒有被禁止，那麼它就是必須的。所以如果我們假設我們可以洞察世間萬物的規律，也就意味著我們必須回答所有的「怎麼來的」的問題，比如宇宙從何創生、大爆炸如何產生，以及黑洞的奇點是什麼等等。而現在，我們對因果性的了解還有很大的空白——迄今為止所有用「時序保護」假說來禁止時間旅行的嘗試都失敗了，這表明我們並不是真正了解因果律。如果你仔細檢查一下計算，你會驚奇地發現每當你試圖證實或證偽時間旅行時，你都需要在量子效應佔據主導的極限條件下考察愛因斯坦的理論。這就意味著我們十分需要一個萬有理論來解決這個問題，而萬有理論的唯一候選就是弦論。這便是我們為什麼要研究這些東西的原因，即便我們在一千年內也沒法建造一臺時間機器。

《科學美國人》：目前弦論對於這些問題給了我們什麼啟發了嗎？

加來道雄：沒有。弦論會給我們不計其數的解，每個解都定義良好（well-defined），同時符合愛因斯坦方程及量子理論。所以在弦論中存在「多宇宙」，非常多可能的宇宙，並且這些宇宙還有可能同時存在。然而，弦理論與哥本哈根解釋——可以替代多世界理論的另一個理論——也是相容的。因此弦論並不能排除兩者中任意一個解釋。我個人認為多世界理論是否正確將會由弦論所決定。而弦論看起來更傾向於多宇宙的觀點。

《科學美國人》：那麼你覺得為什麼我們還沒有見到任何時間旅行者呢？

加來道雄：如果你在路邊看到一個蟻窩，你會不會俯身對那些螞蟻說：我給你們帶了小禮物哦，我給你們帶了核能哦，我給你們帶來DNA技術哦？答案是否定的。你甚至很可能會在它們身上踩過去。科學地講，螞蟻和我們之間的距離就像我們和可以操控普朗克能量的文明之間的距離一樣（普朗克能量是探測非常小的距離以及操控時間機器所需要的能量，遠大於我們目前可操控的能量）。如果認為他們會對我們有足夠的興趣，願意拜訪我們並傳授技術，那我們也太狂妄無知，太自以為是了。其實他們很可能並不在意。然而，需要注意的是，如果某天一個人敲開你的門並且聲稱是你的曾曾曾曾孫女，回到了過去來拜訪你的話，不要把門砰地關上。誰知道呢，也許他們有了時間機器呢。

《科學美國人》：你對流行文化以及科幻小說對物理學的影響有什麼看法？

加來道雄：歷史上，科學家曾經因為科幻小說而覺得十分尷尬，他們總是盡力與科幻小說保持距離。但是當你讀一些偉大科學家的傳記的時候，又會發現他們中的很多人在小時候都很痴迷於科幻小說。我剛剛完成了一本叫做《愛因斯坦的宇宙》的愛因斯坦傳記，所以需要參閱很多大科學家的傳記。我驚奇地發現，埃德溫•哈勃（Edwin Hubble）在年輕的時候會讀儒勒•凡爾納的小說，而且對飛往外太空、飛向月球這樣的想法非常著迷。這種童年時代的痴迷讓他放棄了前途光明的律師行業，而成為一名天文學家。所以說，我認為雖然科學家們羞於承認，其實有很多人在童年時期其實都受到凡爾納甚至《星際迷航》的影響。我覺得沒什麼可羞愧的，而且這也是我們應該認真對待科幻小說的原因之一。

另一個原因是它可以改變公眾對科學的態度。任何可以弘揚科學精神的東西，即使是被好萊塢誇大甚至炒作的，我認為都是有積極意義的。我們這些在象牙塔中生活的人也需要意識到，在某種程度上我們需要為了生存去取悅大眾——超導超級對撞機（SSC）計劃的取消就為所有的高能物理學家敲響了警鐘。不幸的是，我覺得科學家們並沒有使公眾對科學產生足夠的興趣，我想這不太好。

《科學美國人》：怎麼說？

加來道雄：我們舉個喬治•伽莫夫（George Gamow）的例子吧，他現在被認為是過去一百年間最偉大的宇宙學家之一。但我想他之所以沒有獲得諾貝爾獎，就是因為人們並沒有嚴肅地看待他的工作。他寫了一些兒童讀物，他的同事也曾經公開宣稱他寫兒童科普讀物損壞了他的科學名聲；因此當他和他的同事在提出宇宙背景輻射這個20世紀物理學最偉大的發現之一的時候，並沒有得到人們的重視。

想當初，卡爾•薩根（Carl Sagan）正積極吸引公眾參與科學活動時，也被美國國家科學院拒之門外。在辯論中，很多科學家都不把他視為正經的科研工作者。他們會在電視上看到卡爾•薩根——當你在電視上看到一個人的時候，你還會把他看得多嚴肅嗎？要知道我們在電視上看到的都是演員啊。所以我覺得這對他的科學事業也產生了不好的影響。

《科學美國人》：似乎現在狀況已經有了很大的改觀了。

加來道雄：最大的改觀是在史蒂芬•霍金出版《時間簡史》的時候。他是個嚴肅的宇宙學家，並且花時間為大眾寫書，而這本書成了史上最暢銷的書籍之一，即使是出版界也不得不去關注它。我覺得這促成了更多的科學家去推動大眾了解科學，現在知名的科學家也可以撰寫科普讀物，而不會遭受幾十年前伽莫夫受到的那種名譽上的損害。

《科學美國人》：這跟你做電臺節目有關係嗎？你為什麼會想著去做電臺節目呢？

加來道雄：是的，我想讓大眾更多地去了解科學。當我還是一名高中生時，我就非常痴迷於反物質、高維度以及時間旅行這樣的問題，但是每次我去圖書館，問人們這些問題時，總會收到別人異樣的眼光。沒有人可以回答這些問題，因此在孩提時代我就下定決心，當我成為一位理論物理學家並做科學研究時，我希望能夠為那些同樣對這些問題感興趣而得不到答案的孩子們提供解答。

《科學美國人》：你有自己喜歡的時間旅行電影嗎？

加來道雄：哎呀，這個問題有點難。作為一個物理學家，有一個問題就是當你看這些電影時，你會覺得「啊，這演得不對啊。」而這種想法會毀了電影的。但是我喜歡《回到未來》（Back to the Future）系列。在這些電影中你可以真正看到科學家在發揮作用，並且是整個系列非常重要的角色。布朗博士（Doc Brown）是個瘋狂的人，但是至少被演了出來。這個角色的存在使得這一系列電影非常成功。

《科學美國人》：即使在《多維空間》這本書中，你說《回到未來》中的時間旅行實際上並不可行？

加來道雄：無論是在單時間線還是多時間線的理論中，在你逐漸改變過去的時候，你都不會逐漸地消失掉。但在第二部中，布朗博士的確畫了一條時間分支，並明確表示我們會從一條時間線到達另一條。我覺得這一點非常有趣，在電影中，他們站隊支持了一種理論——很明顯，是多世界理論。（撰文：JR•明克爾 加來道雄  翻譯：杜立配）

本文來源：網易科技報導 責任編輯：王曉易_NE0011