耳根一跳一跳的疼:时间旅行: 科学还是幻想？

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Friday, May 4, 2007

时间旅行: 科学还是幻想？

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- 卢昌海 -

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四. 时间旅行与因果佯谬

有关时间机器的讨论除了探讨它的理论可行性外，还有一个非常重要的问题，那就是假如存在时间机器，我们能用它来做什么？

粗看起来，这似乎不成之为问题，既然能够做时间旅行，那么到达目的时间后自然是应该想做什么就可以做什么 (只要不违反物理学定律)。但细想一下，事情却又不那么简单。举个例子来说，倘若时间旅行者回到自己出生之前，他能够阻止自己父母相识吗？这似乎并不违反任何物理学定律。如果时间旅行者向后来会成为他父亲的那个人开枪，子弹似乎完全可以在不违反任何物理学定律的情况下击中目标。但如果这样的行动成功了，我们就会立刻陷入因果佯谬之中。因为如果时间旅行者的父母因为他的阻挠而没有相识，那么世上就不会有他；而世上如果没有他，他又如何能够返回过去并阻止自己父母相识呢？像这样的佯谬在考虑时间旅行时数不胜数，它们都起源于时间旅行对因果时序可能造成的破坏。

在科幻小说或电影中，人们往往通过各种巧合来解决这类佯谬。我们前面提到的威尔斯的《时间机器》在二零零二年被拍摄成影片时，或许是为了对主人公建造时间机器的动机做出某种说明，导演增添了主人公情人被害，他试图重返过去加以挽救的情节。在那段情节中，主人公想尽办法，却总是顾此失彼，他的情人总会以这样或那样的方式死去。显然，同样的手法也可以用来避免时间旅行者阻止自己的父母相识。比方说当时间旅行者正要前去阻止父母相识时，不小心踩到一块香蕉皮摔伤住进医院，从而错过了时机^[注一]。这样的手法被一些物理学家戏称为 “香蕉皮机制” (Banana Peel Mechanism)。在这种机制下，时间旅行者看似能够自由行事，但每当其行为将要导致因果佯谬时，总会受到某些看似偶然的因素干扰，致使行动失败。

这种 “香蕉皮机制” 很适合编写戏剧性的故事情节。但从物理学的角度讲，很难想象物理学定律需要通过如此离奇巧合的方式来解决佯谬^[注二]。更何况，香蕉皮机制还有一个致命的弱点，那就是它往往只着眼于保证一两个核心事件 - 比如影片《时间机器》中主人公情人的死亡，或者我们所举的例子中时间旅行者父母的相识 - 的发生不会被时间旅行所改变，却无法兼顾其它事件。比如影片《时间机器》中主人公的情人以不同方式死亡会在当地报纸上留下不同的报道；我们所举的例子中时间旅行者摔伤住院也会在当地医院中留下相应的记录。这些事件对特定的故事来说并不突出，但从维护因果时序或历史的角度讲却与核心事件有着同等的重要性。事实上，自然界的各种事件之间存在着千丝万缕的联系，任何看似微小的变化，都有可能通过这种联系逐渐演变成重大的事件，这一点对混沌理论中的蝴蝶效应 (Butterfly Effect) 有所了解的读者想必不会陌生^[注三]。

除香蕉皮机制外，在一些科幻故事中还可以看到另外一种观点，那就是在一定程度上放弃因果律，以扩大时间旅行者的行动自由。在这种观点下，历史可以近乎随意地被改变，并且改变的结果可以影响现实中的许多事情。科幻影片《频率》(Frequency) 体现的就是这种观点。在那部影片中，主人公虽然没有直接进行时间旅行，但他通过与三十年前去世的父亲建立联络，具备了间接改变历史的能力。在影片中，历史事件的每一次改变都会直接改变三十年后的现实。比如由于历史事件的改变导致主人公母亲意外死亡，三十年后主人公母亲的相片就会从相框中突然消失。显然，这种观点几乎等于放弃已知的物理学定律，比试图保护现实的香蕉皮机制更为离奇。

五. 凝固长河与平行宇宙

象香蕉皮机制或放弃因果律这样的观点，虽然也有物理学家表述过，但总体来说，它们与现实物理理论之间的差距太大，很少有物理学家会在没有足够证据的情况下，对物理学定律做如此剧烈的变动。对物理学家来说，更感兴趣的问题是：在现有物理学定律的基础上，能否理解或避免由时间旅行而导致的因果佯谬？

对于这一问题，物理学家们尚未形成一致的看法。我们在这里向读者介绍两种主要的观点。

第一种观点认为时间和空间是对物理事件的完整标识。因此一旦时间和空间同时确定，物理事件也就完全确定了。从这个意义上讲，如果我们把时间比作一条长河，那它其实是一条凝固的长河，它的每个截面 - 对应于一个确定时刻所有物理事件的全体 - 都是固定的，就像电影胶片一样。按照这种观点，历史只能有一个版本，如果时间旅行者能够回到过去，唯一的可能是他原本就存在于过去。这话听起来有点玄妙，用平直一点的话说就是时间旅行者回到过去后所做的一切都只能精确地演绎历史上已经存在过的一个人。如果他试图阻止自己父母相识，却不小心踩到香蕉皮摔伤住了院，那么在历史上就的确存在过这样一个人，乘坐奇怪的机器从天而降，很不幸地踩到香蕉皮摔伤住了院，伤愈后又乘坐奇怪的机器离去。换句话说，时间旅行者并不能对历史做分毫的改变，他甚至连历史的旁观者都不是，因为他原本就是历史的一部分。这种观点对于热衷时间旅行的人来说无疑是令人失望的，因为如果一切都是不可改变的，那么时间旅行也就失去了最重要的价值。

幸运的是，另一种看待时间旅行的观点要开放得多，这种观点来源于美国物理学家艾弗里特 (H. Everett) 于一九五七年提出的一种奇特的量子力学诠释 - 多世界诠释 (Many World Interpretation)^[注四]。我们知道，量子力学的一个重要特点就是对量子体系做测量的结果往往是不唯一的。那么，一个具体的测量结果究竟是如何产生的呢？物理学家们提出了许多不同的观点。有些物理学家认为当我们对量子体系做测量时，体系的状态会发生坍缩，我们观测到的测量结果是一个坍缩后的状态。在这种观点中状态的坍缩是一个不可预测的过程。与之相反，艾弗里特等人的多世界诠释则认为，并不存在这种不可预测的状态坍缩，量子测量的结果是世界分裂为一组平行宇宙。所有量子力学中可能出现的测量结果都是真实存在的，只不过它们分别存在于各自的平行宇宙而非单一世界中。观测者所得到的测量结果，只不过是测量者所在的平行宇宙中的特定结果而已^[注五]。如果我们把这种观点运用到时间旅行中，认为时间旅行者不仅跨越时间，而且还跨越不同的平行宇宙，那么所有的佯谬就都迎刃而解了^[注六]。比如时间旅行者阻止自己父母的相识就不再成为佯谬，因为所有这一切都发生在一个不同的平行宇宙中。在那个宇宙中他的父母原本就不相识，他自己也原本就不曾出生过。这与阻止父母相识的时间旅行者本人出现在那个宇宙中并不矛盾，因为时间旅行者是来自于另一个平行宇宙的，在那个平行宇宙中他父母依然相识。在这种观点下，每个平行宇宙的历史仍然是唯一的，但是所有物理定律许可的历史都会在某个平行宇宙中得以实现，时间旅行者虽然无法改变任何一个平行宇宙的历史，却可以自由地选择进入哪一个平行宇宙，他不能改变历史，却可以选择历史^[注七]。

六. 幻想与历史

经过了这些讨论，现在让我们回到本文的标题上来，时间旅行究竟是科学还是幻想？据说索恩与他的学生发表有关虫洞及时间旅行的论文时，曾经担心被同事们认为是不务正业。但我们在本文中已经看到，在时间旅行这个主题背后有着一系列值得深入研究的物理学课题。事实上，现在的确有一小部分物理学家 (其中包括世界顶尖大学的教授) 在对这些课题进行认真的研究。这种研究除了试图探讨科幻小说中这些迷人话题的理论可行性外，一个很重要的动机是要探索现有物理定律的边界，探索在最离奇的情形下物理学定律可以告诉我们什么。从这个意义上讲，时间旅行无疑是一个有着丰富科学内涵的课题。

但是另一方面，从现实可行性上来讲，起码就我们目前所知的物理学定律而言，时间旅行很可能只是一种幻想。我们在前面讨论过许多有可能形成闭合类时曲线的理论模型，撇开它们面临的种种理论难题不论，在那些讨论中我们还忽略了一个很重要的方面，那就是虽然从结构上讲，闭合类时曲线与能让人类使用的时间机器完全类似，但在规模上却有着巨大的差异。以索恩等人的虫洞时间机器来说，为了让人类能够使用这种时间机器，虫洞必须是可穿越虫洞。而我们在本文的姐妹篇虫洞: 旅行家的天堂还是探险者的地狱？一文中已经看到，建造可穿越虫洞是一件几乎不可能做到的事情，更遑论让虫洞的出入口以接近光速的速度做特定的运动了，因此，索恩的虫洞时间机器无论在理论上是否可能，在现实世界中实现的可能性都是微乎其微的。

限于篇幅，我们有关时间旅行的介绍到这里就告一段落了。十多年前，霍金曾经问过这样一个问题：假如时间旅行是可能的，为什么在我们的周围至今尚未充斥着来自未来世界的时间旅行者呢？这个问题的潜台词是：时间旅行者没有来到我们周围，最有可能的原因是时间旅行在整个时间长河中 - 也就是永远 - 都没有实现过。当然，霍金并没有把这样的问题当作是对时间机器的一个认真的理论诘难。不过，他的这个问题还是引起了一些物理学家的思考，并且他们找到了一种可能的回答：即我们目前所知的有可能实现时间旅行的理论模型，有一个很可能具有普适性的共同特点，那就是不允许时间旅行者回到时间机器存在之前的年代。因此，假如公元二五零零年有人建造出了时间机器，那么时间旅行者只能访问公元二五零零年之后的年代^[注八]，他们永远无法来到我们周围，更无法像一些科幻小说描绘的那样，回到史前时代去捕捉恐龙。那些历史已经或将要无可挽回地被时间长河所吞没，就像物理学家格林 (B. Greene) 所说的：在时间机器建造成功之前的每一个年代，都将成为我们以及我们的子孙后代永远无法触及的历史。

从这个意义上讲，如果时间旅行是可能的话，早一天建造出时间机器就是多拯救一天历史。

二零零六年五月十八日写于纽约
http://www.changhai.org/

注释

[注一] 这只是最简单的巧合。为了情节的需要，我们还可以设想更为复杂的巧合。比方说时间旅行者试图向后来会成为他父亲的那个人开枪，却因为心情矛盾导致枪法失准，没有击中 “父亲”，却击中了 “父亲” 的情敌！他试图阻止父母相识的行动非但没有达到目的，反倒为他父母的结合铺平了道路。他的行动不仅不会破坏因果关系，反而是维护因果关系所必需的。象这种近乎宿命的巧合在科幻故事中用得也很多。

[注二] 尽管如此，还是有物理学家做过这方面的考虑。比如俄国物理学家诺维科夫 (I. Novikov) 曾经提出过一个假设，认为物理学定律会 - 哪怕通过离奇巧合的方式 - 自动保证不出现因果佯谬。这个假设被称为 “诺维科夫自洽性假设” (Novikov Consistency Conjecture)，它可以算是香蕉皮机制的理论版本。不过这个假设一直缺乏具体的实现方式。

[注三] 举个例子来说，如果时间旅行者回到过去后把一块小石头放在路上，然后离开。这样的事件无疑是非常微不足道的，但它有可能导致某位行人因踩到石头而扭伤脚。而这位倒霉的行人有可能恰好是一位物理学家，他正要去做一个有关时间旅行的学术报告，却因为扭伤了脚而取消报告。而那个学术报告的听众中有可能恰好有一位年轻人因为这个报告的影响而投身于时间旅行的研究，并最终成为时间机器的建造者。在这种情况下，时间旅行者放在路上的小石头对历史的影响就扩大成了尖锐的佯谬。因为正是这块石头的出现，使得一位物理学家取消了学术报告，从而使得一位年轻人不再以时间旅行作为自己的研究方向，而这最终导致人类没能研制出时间机器。但如果人类没能研制出时间机器，时间旅行者又如何能够放置那块小石头呢？

[注四] 艾弗里特是多世界诠释的提出者，但 “多世界诠释” 这一术语却是另一位物理学家德惠特 (B. S. DeWitt) 提出的。

[注五] 多世界诠释的原始表述其实并不依赖于象 “多世界” 或 “平行宇宙” 那样的概念。后来流行的 “多世界” 或 “平行宇宙” 概念从某种意义上讲是对多世界诠释本身的诠释。

[注六] 当然，这里所谓的 “迎刃而解”，是建立在有着极大争议性的平行宇宙概念之上的，因而本身也是有着极大争议性的。此外，所谓 “迎刃而解”，首先还假定所讨论的问题有意义，这同样有可能不成立，因为时间旅行完全有可能是如 Hawking 猜测的那样被物理定律所禁止的，由时间旅行所导致的因果佯谬也因此完全有可能是伪问题。

[注七] 即便按照这种观点，科幻小说中的许多情节也是不可能实现的。比如通过时间旅行者对某个历史事件的干预来改变人类命运就是不可能的。时间旅行者的努力，只能使他自己进入一个人类命运截然不同的平行宇宙中去，而试图通过这一努力来改变自己命运的原平行宇宙中的其他人的命运，将不会因此而改变。

[注八] 注意，这并不是说时间旅行者只能作面向未来的时间旅行。在那些年代之间他们的旅行既可以面向未来也可以面向过去，他们只是无法回到时间机器建造之前的年代去。

参考文献

M. Visser, Lorentzian Wormholes: from Einstein to Hawking (AIP Press, American Institute of Physics, 1996).
B. Greene, The Fabric of the Cosmos (Alfred A. Knopf, 2004).
J. R. Gott III, Time Travel in Einstein‘s Universe (Houghton Mifflin Company, 2001).