黑洞和時間旅行有關係嗎?揭秘時間旅行的理論、悖論和可能性

幾十年來，時間旅行(在不同的時間點之間移動)一直是科幻小說的熱門話題。從《神秘博士》(Doctor Who)到《星際迷航》(Star Trek)，再到《回到未來》(Back to the Future)，各種各樣的系列影片都講述了人類乘坐某種交通工具回到過去或未來，準備開始新冒險的故事。

然而，現實中的時間旅行要複雜的多，並不是所有的科學家都相信時間旅行是可能的，有些人甚至說，即使是嘗試進行時間旅行也會對任何選擇這樣做的人造成致命危險。

了解時間

時間是什麼?當大多數人認為時間是常數時，物理學家阿爾伯特·愛因斯坦證明了時間只是一種幻覺;它是相對的——它會因為不同觀察者在空間中的速度而有所不同。對愛因斯坦來說，時間是「第四維度」。空間被描述為一個三維世界，它為旅行者提供坐標(例如長度、寬度和高度)以顯示位置，而時間提供了另一個坐標——方向，儘管按慣例它只會向前移動。(相反，一種新的理論認為時間是「真實的」。)

愛因斯坦的狹義相對論說，時間的減速或加速取決於你相對於其他物體的運動速度。當一艘宇宙飛船以接近光速的速度運行時，在宇宙飛船裡的人的衰老速度要比他們在家裡的孿生兄弟要慢得多。此外，根據愛因斯坦的廣義相對論，重力可以彎曲時間。

讓我們想像有一個叫做時空的四維結構。當任何有質量的物體落在這個結構上時，它會產生一個酒窩或時空彎曲，時空的彎曲會使物體沿著彎曲的路徑運動，而這個空間的彎曲也就是我們所知的引力。

廣義相對論和狹義相對論的理論都已經被GPS衛星技術所證實。衛星上有非常精確的時鐘。

由於重力的影響，以及衛星相對於地面觀察者在地球上空的速度增加，未經調整的衛星時鐘每天會增加38微秒。(工程師會對差異進行校正。)

從某種意義上說，這種被稱為時間膨脹的效應意味著太空人也是時間旅行者，當他們回到地球時，他們會比他們留在地球上的雙胞胎要年輕稍微那麼一點點。

穿過蟲洞

據美國宇航局稱，廣義相對論還提出了可以讓旅行者回到過去的設想。然而，這些方程可能很難在物理上實現。

一種可能性是用超過光速的速度進行運動(光速在真空中以每秒299，792公裡的速度傳播)，然而，愛因斯坦的方程表明，光速運動下的物體質量為無窮大，長度為0，這在物理上似乎是不可能的(儘管一些科學家已經擴展了他的方程，並表示可能會實現)。

NASA表示，另一種相關的可能性會在時空點之間創造「蟲洞」。雖然愛因斯坦的方程為這些蟲洞提供了支持，但這些蟲洞會很快就會坍塌，而且只適用於非常小的粒子。此外，科學家們還沒有真正觀察到這些蟲洞的存在，並且創造蟲洞所需的技術也遠遠超出了我們今天所擁有的任何技術。

平行時間旅行理論

雖然愛因斯坦的理論似乎使時間旅行變得很難實現，但一些研究小組提出了時空穿梭的替代方案。

無限長的柱體

天文學家弗蘭克·提普勒提出過一種機制(有時被稱為提普勒圓柱體)，把質量是太陽質量10倍的物質捲成非常長、但密度非常大的圓柱體。

按照安德森研究所的說法，在每分鐘旋轉幾十億轉之後，附近的宇宙飛船——沿著一個非常精確的螺旋繞這個圓柱體旋轉——就可以使自己進入一個「封閉的、類似時間的曲線」。然而，這種方法也有一些限制，其中包括圓柱體必需要無限長。

黑洞

另一種可能就是讓飛船在黑洞周圍快速移動，或者用一個巨大的旋轉結構人為地創造出這種條件。

「他們一圈又一圈地走，但經歷的時間只有遠離黑洞的人的一半，宇宙飛船和船上的機組成員就會穿越時間。物理學家史蒂芬·霍金在2010年的《每日郵報》上寫道。

想像一下，他們繞著黑洞轉了五年，其他地方則會經歷十年的時間，而當他們回到家時，地球上的每個人增長的年齡都會比他們多5歲。」

然而，他補充說，太空人需要以光速飛行才能完成這項任務。以色列海法理工學院的物理學家阿莫斯·艾恩(Amos Iron)也指出了使用機器帶來的另一個限制：機器在能夠快速旋轉之前可能會先解體。

宇宙弦

另一種可能實現時間旅行的理論涉及到一種叫做宇宙弦的東西——宇宙弦是貫穿整個宇宙的狹窄能量管。據預測，這些早期宇宙遺留下來的薄區域包含大量的質量，因此可能會扭曲它們周圍的時空。

科學家們說，宇宙弦要麼是無限的，要麼是循環的，沒有盡頭。從理論上講，兩根這樣的弦相互平行的話會使時空發生劇烈的彎曲，這種特殊的結構將使時間旅行成為可能。

時光機

人們普遍認為，穿越到過去或回到過去需要一個設備——一臺時間機器。時間機器的研究經常涉及到彎曲時空，時空的彎曲程度會非常大，甚至大到時間線自身會進行重疊，形成一個環，在技術上這被稱為「閉合類時曲線」。

為了實現這一目的，人們通常認為時間機器需要一種具有所謂「負能量密度」的奇異物質。這種奇異物質具有奇異的性質，包括在被推的時候會以正常物質的相反運動方向運動。這樣的物質理論上是存在的，但如果它存在話，它的數量可能非常少，並不足以建造一臺時間機器。

然而，時間旅行研究表明，就算沒有這種奇異物質，時間機器還是可能存在的。這項工作從一個甜甜圈形狀的洞開始，它被包裹在一個正常物質的球體中。在這個甜甜圈形狀的真空中，時空可以利用聚焦的引力場彎曲自己，形成一個閉合類時曲線。為了回到過去，旅行者會在甜甜圈裡賽跑，每跑一圈，就會回到更遠的過去。然而，這一理論也存在一些障礙。形成這樣一條閉合類時曲線所需要的引力場必須非常強，而且對引力場的控制必須非常精確。

祖父悖論

除了物理問題，時間旅行也可能伴隨著一些獨特的情況。一個典型的例子就是祖父悖論，一個時間旅行者回到過去並殺死他的父母或他的祖父(《終結者》電影的主要情節)，或者幹涉他們的關係(《回到未來》的情節)之後，他就變成從來沒有出生過，或者他的生活被永遠改變。

一些物理學家說，如果這種情況真的發生的話，在一個平行宇宙中你將不會出生，但在另一個平行宇宙中你仍然會出生。另一些人說組成光的光子更喜歡在時間軸上保持自我一致性，這會干擾到你的邪惡自殺式的計劃。

一些科學家不同意上面提到的想法，他們說，無論你用什麼方法，時間旅行都是不可能的。「比光還快的物體」這個概念尤其受到了美國自然歷史博物館天體物理學家查爾斯·盧的嘲笑。

「簡單地說，從數學上講這是行不通的，」他在過去接受採訪時說。

此外，人類可能根本無法承受時間旅行。查普曼大學(Chapman University)物理學教授傑夫·託拉克森(Jeff Tollaksen) 在2012年說，以接近光速的速度飛行只需要一臺離心機，但這將會是致命的。

使用重力也是致命的。要經歷時間膨脹，你可以站在中子星上，但在經歷時間膨脹之前你就會先被壓力撕碎。

小說中的時間旅行

2015年的兩篇文章描述了時空旅行在小說中的不同運作方式，以及有史以來最好的時空旅行機器。這些小說中使用的一些方法包括：

去未來的單程旅行：旅行者離開家，但他或她離開的人可能在旅行者回來時已經變老或死去。

例子：《星際穿越》(2014)、《伊卡瑞XB-1》(1963)

穿越更高維度的時間旅行：在《星際穿越》(2014)中，太空人可以通過「tesseracts」旅行，因為飛船將時間表示為空間的維度。馬德琳·恩格爾(Madeleine L'Engle)的《時間的皺紋》(A Wrinkle in Time)(2018年，根據1963年開始出版的系列叢書改編)中也表達了類似的概念。然而，這本書是利用超自然生物使旅行成為可能的。

時空漩渦旅行：著名《神秘博士》(1963年至今的)TARDIS塔迪斯飛船(「空間中的時間與相對維度」)利用一個超維度漩渦穿越時間，而在機器裡面的旅行者會感覺時間在正常地流逝。

瞬時旅行：例子包括《穿越時間的女孩》(2006)、《回到未來》(1985)中的德洛倫跑車(DeLorean)，以及《洛基與布爾溫克爾秀》(The Rocky and Bullwinkle Show)中皮博迪先生的WABAC機器(1959-64)。

靜止的時間旅行：《時間機器》(1895年出版)和《哈利·波特》中赫敏·格蘭傑的時光轉換器都讓旅行者在穿越時間時保持靜止狀態。

慢時間旅行：在《初始者》(2004)中，一個旅行者在時間旅行時會呆在一個盒子裡。他們想回到過去一分鐘，就需要在盒子裡呆一分鐘。如果他們想回到過去一天，他們必須在那裡呆24小時。

超光速旅行：在1979年的電影《超人：電影版》中，超人通過超光速飛行穿越時空，在露易絲·萊恩被殺前救了她。格裡高利·本福德(Gregory Benford)在1980年的小說《時間景象》(Timescape)中也使用了這個概念。在小說中，主人公將比光速還快的超光速粒子(假設的)發射回1962年的地球以警告可能發生的災難。在《星際迷航》的幾部劇集和電影中，企業號通過到達超光速速度來穿越時間。在漫畫書和電視劇《閃電俠》(the Flash)中，這位超級跑者使用一臺宇宙跑步機來穿越時間。

難以歸類的方法：在1994年的電影《時空特警》(Timecop)中，有一輛火箭雪橇在使用時會突然出現或者消失在人們的視野中，這引發了人們猜測正在發生什麼事情。在《終結者》系列電影中也出現了時間置換設備，它展示了如何在四個維度(包括時間)中進行一場戰爭。

那麼時間旅行有沒有可能實現?

雖然時間旅行似乎不可能實現——至少在人類能夠在時間旅行中生存下來這方面來說是不可能的——但根據我們今天的物理學，這個領域正在不斷變化，量子理論方面的進步或許可以為我們提供一些關於如何克服時間旅行悖論的理解。

也許解決某些粒子如何能以超過光速的速度在彼此之間進行即時通訊的謎題，可以為時間旅行提供一種實現的可能性。

而與此同時，感興趣的時間旅行者至少可以通過電影、電視和書籍來體驗時間旅行。

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