电话话术技巧开场白:霍金 11维空间密码

想在这次演讲中描述一个激动人心的新机制，它可能改变我们关于宇宙和实在本身的观点。这个观念是说，我们可能生活在一个更大空间的膜或者面上。
膜这个字拼写为BRANE，是由我的同事保罗·汤森为了表达薄膜在高维的推广而提出的。它和头脑是同一双关语，我怀疑他是故意这么做的。我们自以为生活在三维的空间中，也就是说我们可以用三个数来标明物体在屋子里的位置，它们可以是离开北墙五英尺离开东墙三英尺还比地板高两英尺，或者在大尺度下，它们可以是纬度、经度和海拔。在更大的尺度下，我们可以用三个数来指明星系中恒星的位置，那就是星系纬度、星系经度以及和星系中心的距离。和原来标明位置的三个数一样，我们可以用第四个数来标明时间。这样，我们就可以这样把自己描述成生活在四维时空中，在四维时空中可以用四个数来标明一个事件，其中三个是标明事件的位置，第四个是标明时间。
爱因斯坦意识到时空不是平坦的，时空中的物质和能量把它弯曲甚至翘曲，这真是他的天才之举。根据广义相对论，物体例如行星企图沿着直线穿越时空运动，但是因为时空是弯曲的，所以它们的路径似乎被一个引力场弯折了。这就像你把重物代表一个恒星放在一个橡皮膜上，重物会把橡皮膜压凹下去，而且会在恒星处弯曲。现在如果你在橡皮膜上滚动小滚珠，小滚珠代表行星，它们就围绕着恒星公转。我们已经从GPS系统证实了时空是弯曲的，这种导航系统装备在船只、飞机和一些轿车上。它依靠比较从几个卫星来的信号而运行的。如果人们假定时空是平坦的，它将会把位置计算错。
三维空间和一维时间是我们看到的一切。那么我们为什么要相信我们不能想起不能观察到的它的额外维呢？它们仅仅是科学幻想呢，还是能够被看的到的科学后果呢？我们认真地接受额外维的原因是，虽然爱因斯坦广义相对论和我们所作的一切观测相一致，该理论预言了自身的失效。罗杰·彭罗斯和我在讨论广义相对论时预言时空在大爆炸处具有开端，在黑洞处有终结。在这些地方广义相对论失效了。这样人们就不能够预言宇宙如何开端，或者对落进黑洞的某人将会发生什么。
广义相对论在大爆炸或黑洞处失效的原因是没有考虑到物质的小尺度行为。在正常情况下，时空的弯曲是非常微小的，并也是在相对场的尺度上，所以它没有受到短距离起伏的影响。但是在时间的开端和总结，时空就被压缩成单独的一点。为了处理这个，我们想要把非常大尺度的理论即广义相对论和小尺度的理论即量子力学相结合。这就创生了一种TOE，也就是万物的理论，它可用来描述从开端直到终结的整个宇宙。
我们迄今已经花费了三十年的心血来寻找这个理论，目前为止我们认为已经有了个候选者，称为M理论。事实上，M理论不是一个单独的理论，而是理论的一个网络，所有的理论事物都在物理上等效，这和科学的实证主义哲学相符合。
在这哲学中，理论只不过是一个数学模型，它描述并且整理观测。(Positivist Philosophy---A theory is just a mathematical model, that describe and codifies the observations)人们不能询问一个理论是否反映现实，因为我们没有独立于理论的方法来确定什么是实在的。甚至在我们四周，被认为显然是实在的物体，从实证主义的观点看，也不过是在我们头脑中建立的一个模型，用来解释我们视觉和感觉神经的信息。当人们把贝克莱主教的“没有任何东西是实在的”见解告诉约翰逊博士时，既然他用脚尖踢到一个石头并大声吼叫，那么我也就驳斥这种见解。
但是我们也许都和一台巨大的电脑模拟连在一起，当我们发出一个马达信号去把虚拟的脚摆动到一块虚拟的石头上去，它发出一个疼痛的信号。也许我们也就是外星人玩弄的电脑游戏中的一个角色。不再开玩笑了，关键在于我们能有几种不同的对于宇宙的描述，所有的这些理论都预言同样的观察。我们不能讲一种描述比另外一种描述更实在，只不过是对一种特定情形更方便而已。所以M理论网络中的所有理论都处于类似地位。没有一种理论可以声称比其余的更实在。
令人印象深刻的是，M理论网络中的许多理论的时空维数具有比我们经验到的四维更高。这些额外维数是实在的吗？我必须承认我曾经对额外维持迟疑的态度。但是，M理论网络配合得天衣无缝，并且具有这么多意想不到的对应关系，使我认为如果不去相信它，就如同上帝把化石放进岩石里，误导达尔文去发现进化论一样。
在这些网络的某些理论中，时空具有十维，而在另一些中，具有十一维。这使如下事实的又一个迹象，即时空以及它的维不是绝对的独立于理论的量，而只不过是一个导出概念，它依赖于特殊的数学模型而定。那么对我们而言，时空是显得四维的，而在M理论是十维或者十一维的，这是怎么回事呢？为什么我们不能观察到另外的六或七维呢？
这个问题的传统的，也是迄今仍被普遍接受的答案是，额外维全部被卷曲到一个小尺度的空间中，余下四维几乎是平坦的。它就像人的一根头发，如果你从远处看它，它就显得像是一维的线。但是如果你在放大镜下看它，你就看到了它的粗细，头发的的确确是三维的。在时空的情形下，足够高倍数的放大镜应能揭示出弯卷的额外维数，如果它存在的话。事实上，我们可以利用大型粒子加速器产生的粒子把空间探测到非常短的距离，比如在日内瓦建造的大型强子碰撞机。至少，迄今我们还没有探测到超出四维的额外维的证据。如果这个图象是正确的，那么额外维就会被卷曲到比1厘米的一百亿亿分之一还小。
我刚才描述的是处理额外维的传统手段。它意味着我们有较大的机会探测到额外维的仅有之处是宇宙的极早期。然而最近有人提出更激进的设想，额外维中的一维或者二维尺度可以大的多，甚至可以是无限的。因为在粒子加速器中没有看到这些大的额外维，所以必须假定所有的物质粒子被局限在时空的一个膜或面上，而不能自由地通过大的额外维传播。光也必须被限制在膜上，否则的话，我们就已经探测到大的额外维，粒子之间的核力的情形也是如此。
另一方面，引力是所有形式的能量或质量之间的普适的力。它不能被限制于膜上，相反地，它要渗透到整个空间。因为引力不仅能够耗散开，而且能够大量发散到额外维中去，那么它随距离的衰减应该比电力更厉害。电力是被限制在膜上的。然而我们从行星轨道的观测得知，太阳的万有引力拉力，随着行星离开太阳越远越下降，和电力随距离减小的方式相同。
这样，如果我们的确生活在一张膜上，就必须有某种原因说明为何引力不从膜往很远处散开，而是被限制在它的附近。一种可能性是额外维在第二张影子膜上终结，第二张膜离我们生活其中的膜不远。我们看不到这张影子膜，因为光只能沿着膜旅行，而不能穿过两膜之间的空间。然而我们可以感觉到影子膜上物体的引力。可能存在影子星系、影子恒星甚至影子人，他们也许正为感受到从我们膜上的物质来的引力而大大惊讶。对我们而言，这类影子物体呈现成暗物质，那是看不见的物质。但是其引力可以被感觉到事实上，我们在自身的星系中具有暗物质的证据。我们能看到的物质的总量不足以让引力把正在旋转的星系抓在一起。除非存在某种暗物质，该星系将会飞散开。类似地，我们在星系团中观测到的物质总量也不足以防止它们散开，这样又必须存在暗物质。当然，影子膜并不是暗物质的必要条件。暗物质也许不过是某种很难观测到的物质的形式，例如wimp（弱相互作用重粒子），或者褐矮星以及低质量恒星，后者从未热到足以使氢燃烧。
因为引力发散到我们的膜和影子膜之间的区域，在我们膜上的两个邻近物体间的万有引力随距离的下降会比电力更厉害，因为后者被局限于膜上。我们可能在实验室中，利用剑桥的卡文迪许爵士发明的仪器测量引力的短距离行为。迄今我们没有看到和电力的任何差异，这意味着膜之间距离不能超过一厘米。按照天文学的标准，这是微小的，但是和其他额外维的上限相比是巨大的。正在进行短距离下引力的新测量，用以检测“膜世界”的概念。
另一种可能性是，额外维不在第二张膜上终结，额外维是无限的，但是正如马鞍面一样被高度弯曲。莉萨朗达尔和拉曼桑德鲁姆指出，这种曲率的作用和第二张膜相当类似。一张膜上的一个物体的引力影响，将不会在额外维中发散到无限去。正如在影子膜模型中，引力场长距离的衰减正好用以解释行星轨道和引力的实验室测量，但是在短距离下引力变化的更快速。然而在朗达尔-桑德鲁姆模型和影子膜模型之中存在一个重大的差别。物体受引力影响而运动，会产生引力波。引力波是以光速通过时空传播的曲率的涟漪。正如光的电磁波，引力波也必须携带能量，这是一个在对双脉冲星观测中被证实的预言。
如果我们的确生活在具有额外维的时空中的一张膜上，膜上的物体运动产生的引力波就会向其它维传播。如果还有第二张影子膜，它们就会反射回来，并且被束缚在两张膜之间。另一方面，如果只有单独的一张膜，而额外维无限的延伸，就像朗达尔-桑德鲁姆模型中那样，引力波会全部逃逸，从我们的膜世界把能量带走。这似乎违背了一个基本物理原则，即能量守恒定律。它是讲总能量维持不变。然而，只是因为我们对所发生事件的观点被限制在膜上，所以就显得定律被违反了。一个能看到额外维的天使就知道能量是常数，只不过更多的能量被发散出去。
只有短的引力波才能从膜逃逸，而仅有大量的短引力波的源似乎来自于黑洞。膜上的黑洞会延伸成在额外维中的黑洞。如果黑洞很小，它就几乎是圆的。也就是说它向额外维延伸的长度就和在膜上的尺度一样。另一方面，膜上的巨大黑洞将会延伸成“黑饼”。它被限制在膜的邻近，它在额外维中的厚度比在膜上的宽度小得多。
若干年以前，我发现了黑洞不是完全黑的：它们会发射出所有种类的粒子和辐射，它们就如热体一样。粒子和象光这样的辐射会沿着膜发射，因为物质和电力被限制在膜上。然而，黑洞也辐射引力波，这些引力波不被限制在膜上，也向额外维中传播。如果黑洞很大，并且是饼状的，引力波就会留在膜的附近，这意味着黑洞以四维时空中所预想的速度损失能量和质量。因此黑洞会缓慢地蒸发，尺度缩小，直至它变得足够小，使它辐射的引力波开始自由地逃逸到额外维中去。对于膜上的某人，黑洞就相当于在发散暗辐射，也就是膜上不能直接观察到的辐射，但是其存在可以从黑洞正在损失质量这一事实推出。这意味着从正在蒸发的黑洞来的最后辐射暴显得比它的实际更不激烈些，这也许是为什么我们还未观测到伽马线暴，后者由正在死亡的黑洞产生。
虽然还存在另一种乏味的解释，就是说不存在许多这样的黑洞，其质量小到不迟于宇宙的现阶段蒸发。这真是遗憾，因为如果发现一个低质量的黑洞，我就会获得诺贝尔奖。
对于膜世界的产生有几种理论。一种版本是称为Ekpyrotic宇宙的影子膜模型。Ekpyrotic这个名字有点绕嘴，但是它是从希腊文来的，意思是运动和变化。在Ekpyrotic场景中，人们认为我们的膜以及影子膜存在了无限久。他们是在无限的过去在静态中启始的。膜之间一个非常小的力就使他们相互运动，膜就会碰撞，并且相互穿越，产生大量的热和辐射。这一碰撞被认为是大爆炸，也就是宇宙热膨胀相的启始。
关于膜是否能够碰撞以及如此这般行为，存在许多未解决的技术问题。但是，即是膜具有所需要的性质，以我的意见，Ekpyrotic场景也是不能令人满意的。它要求膜在无限的过去启始时，处于一种以不可思议的精度调准的位形之中。膜的初始条件的任何微小变化，都会使碰撞变得乱糟糟的，产生一个高度无规的膨胀宇宙，一点也不像我们现在观察到的这个几乎光滑的宇宙。如果膜从它们的基态或者最低能态启始，初始条件被精确指定便是很自然的了。但是如果存在最低能态，膜将会停留在那儿，而永不碰撞。但事实上，膜从一个非稳态启始，必须人为地让它处于这种态。这必须是一只相当稳定的手，才能使初始条件那么精确。但是，但是如果一个人能够做到这一点，他能够使膜从任何方式启始。
按照我的意见，膜世界启始的更远为吸引人的解释是，它作为真空中的起伏而自发产生。膜的产生有点像沸腾水中蒸气泡的形成。水液体中包含亿万个H2O分子，它们在最靠近的邻居之间耦合，并且挤在一起。当水被加热上去，分子运动得更加快，并且相互弹开。这些碰撞偶然赋予分子如此高的速度，使得它们中的一群能摆脱它们的键，形成热水围绕着的蒸气小泡泡。泡泡将以随机的方式长大或缩小，这时液体中来的更多的分子参与到蒸气中去，或者相反的过程。大多数小蒸气泡将会重新塌缩成液体，但是有一些会长大到一定的临界尺度，超过该临界尺度泡泡几乎肯定会继续成长。我们在水沸腾时观察到的正是这些巨大的膨胀的泡泡。
膜世界的行为很类似。真空中的起伏会使膜世界作为泡泡从无中出现。膜形成泡泡的表面，而内部是高维空间。非常小的泡泡将重新塌缩成无。但是一个由量子起伏成长的泡泡超出一定的临界尺度，很可能继续膨胀。在膜上，也就是在泡泡的表面上的人们（例如我们）会以为宇宙正在膨胀。这就像在气球的表面上画上星系，然而把它吹涨，星系就相互离开，但是没有任何星系被当作膨胀的中心。让我们希望，没有人持宇宙之针将泡泡放气。随着膜膨胀，内部高维空间的体积会增大。最终存在一个极其巨大的泡泡，它被我们生活其中的膜环绕着。膜也就是泡表面上的物质将确定泡泡内部的引力场。
平等地，在内部的引力场也将确定膜上的物质。它就像一张全息图。一张全息图是一个三维物体被编码在一个二维表面上的象。我对全息图的全部知识是，在一张图上是星际航行的一集中的场景，我本人与牛顿和爱因斯坦在一起。（之后是一段黑白短片，在一个飞船船舱内三位巨匠和一位类似于船长的人在打牌，讨论着些事情，由于是英文对白，本人水平有限，未能得其意思。）类似于，我们认为是四维时空的也许只是五维泡泡内部区域所这样，什么是实在的呢？是泡泡还是膜？根据实证主义哲学，这是没有意义的问题。因为不存在独立于模型的实在性的检验，或者说什么是宇宙的真正维数是没有意义的，四维和五维的描述是等效的。我们生活在三维空间和一维时间的世界中，我们对这一些自以为一清二楚。但是我们也许只不过是闪烁的篝火在我们存在的洞穴的墙上的投影而已。但愿我们遭遇到的任何魔鬼都是影子。
膜世界模型是研究的热门课题，它们是高度猜测性的。但是它们提供了可供观测验证的新行为，它们可以解释为什么万有引力为什么这么弱。在基本理论的基础中，引力也许相当的强大但是引力在额外维散开意味着，在我们生活其中的膜上的长距离引力变弱了。如果引力在额外维中更强，那么在高能粒子碰撞时形成小黑洞就容易得多。这也许在日内瓦建造中的LHC也就是大型强子碰撞机上可能实现。一个微小的黑洞不会吃掉地球，不像报纸中绘声绘色的恐怖故事那样。相反地，黑洞将会在“霍金辐射”的“扑”的一声中消失，而我将得到诺贝尔奖。LHC加油！我们可以发现一个膜的新奇世界。
发生的事件的一张全息图。
时间和空间伴随宇宙大爆炸而产生。在此之前没有时间也没有空间。宇宙大爆炸为自己开辟时间，度量时间的尺度为空间，或者，反过来看，宇宙大爆炸为自己开辟空间，度量空间的尺度为时间。或曰：宇宙大爆炸开辟了粒子运动场，时间和空间是场的结构，也是粒子运动的自由度，简称“维”。
时间与空间如何区别？任取两维，相关者，其中一维即时间，另一维是空间；不相关者，均为空间。依据上述标准，可推导出：各向同性为时间，各向异性为空间。或曰：时间只有一维，各向同性；空间有无限多维，各向异性。因此，跨越时间的旅行是不可思议的。
时间与空间如何度量？假定光速的最高极限为 C ，那么，时间与空间的结构，就是任何运动速度都无法超越这个极限，可用洛伦兹变换表达出来。或曰：时间是用光速极限度量空间的尺度；空间是用光速极限度量时间的尺度。
该假定并不排除（1）光速因万有引力而发生变化。并且，当光速因万有引力的变化而达到极限时，例如在黑洞中，由于万有引力的作用，时间与空间的结构就会发生倒转。其特征为（2）任何粒子的运动速度达到光速极限，在该粒子的运动方向上，时间与空间就会倒转。例如，在相互纠缠的电子对之间，其相互作用的光速已经达到光速极限，所以，它们的相互作用在观察者看来是瞬间完成的。而事实上，依据电子对之间的距离 L，用光速极限测量光子的运动，光子在倒转时空中花费了 L / C 的时间。
时间仅有一维，那么，可观测的空间共有几维？依据广义相对论把万有引力解释为时空弯曲，可知，万有引力等价于一维时空。同理，依据人类已知的万有引力、核弱力、核强力、光、电、磁共六种力，可证，人类已知时空共有六维。但人类只能感觉到三维空间和一维时间，共四维。这是因为人脑的生理结构只能感觉到光、电、磁和万有引力。其中任何一维作为时间，各向同性，另外三维就是空间，各向异性。
为了便于传播和讨论，我称这种时空观为“一维时间论”。
下面以超弦理论为例，说明一维时间论如何改进广义相对论。但声明：我本人仅从科普读物中学习物理学，不妥之处，还需要专家指正。
当代物理学中的超弦理论，已经发展为膜理论，需要十一维时空，那么，依据一维时间论，减去已知的六种力，等价于六维时空，还缺少五维时空。另外五维在哪里呢？
答案是：在人类已知的六种力中，除等价于时间的任何一种力外，其余五种力又分别携带一维不可弯曲的平坦空间。而人类已知的六种力则等价于一维时间和五维可弯曲的自由空间。详述如下。
因为每一种力都等价于一维时空，而时间各向同性，所以，除等价于时间的其中任何一种力外，其余每一种力的强弱变化都等价于一维可弯曲的自由空间，因而又带来一维不可弯曲的平坦空间。即：
膜时空＝｛万有引力，核弱力，核强力，光，电，磁，五维平坦空间} [1]
在这里，平坦与弯曲是一对矛盾。尽管在弯曲空间中，运用黎曼几何学，也足以计量空间弯曲的幅度，但是，弯曲本身仍然是“不平坦”的，是相对于“平坦”而弯曲的。当三角形的内角和大于或小于180时，角的度量单位仍然属于平坦空间，否则，在孤立的弯曲空间，三角形的内角恒等于180。所以，除时间各向同性，不会弯曲外，每一维可弯曲的自由空间必然伴随一维不可弯曲的平坦空间。它们不仅构成一对矛盾，而且，平坦也是度量弯曲的尺度。而自由空间相对于平坦空间的弯曲幅度，就取决于引起空间弯曲的力的强弱。所以，当每一种力等价于一维时空时，除其中任何一种力等价于时间，各向同性不会弯曲外，其余五种力不仅等价于一维自由空间，而且带来一维平坦空间。即：
膜时空＝｛时间，五维自由空间，五维平坦空间} -[2]
其中，平坦与弯曲不仅是一对矛盾，而且是相对的。一个观测者可以在一个平坦空间比较另一个自由空间的弯曲幅度，也可以把被比较的空间视为平坦空间，于是，观测者自己所处的空间就转变为已弯曲的自由空间。所以，在平坦与弯曲之间，究竟哪一个是可弯曲的自由空间，哪一个是不可弯曲的平坦空间，总是相对而言的。它们的共同特征只有各向异性，因而不同于各向同性的时间。所以，人类已知的六种力，除分别等价于一维各向同性的时间和五维各向异性的空间外，还同时带来五维各向异性的空间，恰好满足膜理论所需要的十一维时空。即：
膜时空＝｛时间，十维空间} -[3]
而时间各向同性，并且是用光速度量空间的尺度。任何一种力在它的作用方向上都会引起时空弯曲，或者当运动速度达到光速时，时间与空间倒转。所以，在时空结构中，在任何一种力的作用方向上，时间又等价于一维空间。如果说，从[1]到[3]仅仅表达了静态的空结构，那么，在任何一种力的作用方向上，[4]就表达了动态时空结构：
膜时空＝｛万有引力，核弱力，核强力，光，电，磁，时间，四维平坦空间｝ - [4]
在理论上，在动态时空中，除人类已知六种力外，还有一维时间和四维平坦空间。而现实中，我们只能感知一维时间和三维平坦空间。这是因为我们的生理结构只能感觉到光、电、磁和万有引力。除其中任何一种力等价于一维时间之外，我们就只能感觉到三维平坦空间了。所以，在理论与现实之间，除人类已知的六种力分别等价于六维时空外，在我们能够感知的一维时间和三维平坦空间中，在考察任何一种力时，还需要在力的作用方向上再找出一维平坦空间，然后就可以解释已经有十一维的膜时空了。
例如，测量某些短命的微观粒子在高速运动中的存活时间，可以把延长的存活时间换算为延长的平坦空间。这种换算的依据是，高速粒子在某种力的推动下，延这种力的作用方向，在这种力发生作用的平坦空间运动，而我们在同一方向上，在我们自己感知的平坦空间上测量，因而，依据狭义相对论，依据洛沦兹变换，我们就观测到时间延长，延运动方向的空间尺度也延长了。但事实上，高速运动的短命粒子在自己的平坦空间中没有延长存活时间。除了受某种力的作用，因而进入这种力发生作用的平坦空间外，它仍然象低速运动一样，任何规律都没有变化。而对我们观测到的时空尺度的延长，只需要依据洛沦兹变换和时间尺度的延长换算空间尺度，就可以全部还原了。

霍金玄妙的时间论
5月5日上午消息，英国时间5月3日，英国剑桥大学教授、著名广义相对论和宇宙论家斯蒂芬·霍金在《每日邮报》网站发表文章，题为《如何建造时光机器》。霍金在文章中称，时间旅行是可行的，我们只需要一个“虫洞”、一个超大强子对撞机或者一个很快很快很快的火箭。
英国剑桥大学教授、著名广义相对论和宇宙论家斯蒂芬·霍金（凤凰网科技配图）
原文如下：
大家好。我的名字是斯蒂芬·霍金—物理学家、宇宙论者以及梦想家。虽然我的身体不能动，要依靠一台计算机说话，但是我的思想是自由的。我时常在思想的天空中探索宇宙的奥秘，比如“时间旅行可能吗？”、“我们怎么才能找到一条通往未来的隧道或捷径？”、“我们最终能利用自然发展成为时间的主宰吗？”。
时间旅行曾经一度被视为科学狂想。我也曾经回避对此进行评论，因为担心会被认为是怪人。但是最近我不再这么谨慎了，我更像是建造巨石阵的那些人们。我为时间着迷，如果我有一架时间机器，我会去拜访全盛时期的玛丽莲·梦露；我会拜访伽利略，看他将望远镜指向天空。也许我甚至会去到宇宙的尽头，看看我们那些科幻故事有没有猜对。
要知道时间旅行有没有可能，我们要像物理学家一样思考—在思维层面上思考。这没有它听上去这么复杂，每一个小学生都知道物体，包括在椅子里的我，都存在于三维空间，都有长、宽、高。
然而，还有另一种长度存在—时间的长度。一个人可能活80年，巨石阵里的石头则已经矗立几千年了，太阳系会存在几百万年之久。每一个事物都有一个时间上的长度，就好像在第四维度里面做以时间为计量单位的旅行。
让我们想象我们在做一件普通的事情，开汽车。开直线的时候我们在一维运动，往右或左拐的时候我们进入了第二维，沿着崎岖的上路上下颠簸的时候我们又加入了第三维，这就是我们如何在三维空间里旅行。那么我们究竟如何在时间中旅行呢？怎么能早到通往第四维的道路？
让我们想一想科幻小说里的情节。穿越时光的履行通常需要一个巨大、超耗能的机器，它开辟了一条通往第四维的道路。一位勇敢也许还鲁莽的时光旅行者，他走进了时光隧道，见到很多稀奇古怪的东西。这些概念看上去很牵强，事实可能完全不是如此，但是这个想法本身却并不是那么疯狂。
物理学家们也思考过时间隧道，不过我们从另一个不同的角度来看。我们想知道，在自然法则里是否存在通往未来或过去的可能性。最终，我们决定可能性是存在的。我们甚至给这个通道取了名字：“虫洞”。事实是，虫洞就在我们身边，只不过它们非常微小，不能用肉眼发现。它们存在于空间和时间的缝隙中。你可能会觉得这是个很难接受的概念，不过请相信我。
解说：（虫洞是一个理论上的“隧道”或密道，爱因斯坦首次在其相对论中提出该概念。虫洞将两个不同的世界在时间和空间上连接在一起，负能量将时间和空间拖入一个隧道口，从而进入另一个世界。虫洞在三维空间是不可见的。）
没有什么是不可动摇的。你近距离观察任何事物，都能发现小洞和缝隙。这是一个基本的物理原理，对时间也是适用的。即使是像球一样光滑的东西也会有小裂缝、皱纹和真空。要在三维空间里证明这点会容易，但是请相信我，在四维世界里一样行得通。时间也有很细小的裂缝和真空，它们非常小，比分子更小，比原子更小，我们将这个大小称为量子泡沫。虫洞正是存在这样的空间里，穿越空间和时间常态的微小的隧道或密道也正是产生于这个量子空间。
不幸的是，这些真实存在的通道如此之微小，人类根本无法通过。不过，这正是虫洞时间机器这个想法要解决的问题。一些科学家认为，可以找到一个虫洞，然后将其放大数以万亿倍，使其做够让一个人或甚至一艘飞船通过。
如果有足够的能量和先进的技术，也许我们能够在空间中构建一个巨型虫洞。我不是说一定可能，但是如果可以的话，这将成为一项真正了不起的发明。虫洞的一端靠近地球，而另一端则远在某些遥远的星球。
理论上说，时间隧道或虫洞不只是能带我们去另外的星球。如果通道的两端都在同一个地点，隔开它们的是时间而不是距离，那么飞船可以穿梭于地球，只是很久以前的地球。也许恐龙将亲眼目睹时空飞船的着陆。
人类历史上最快的交通工具是阿波罗10号，时速达到25000米。但是要做时间旅行，我们必须比这个速度快2000倍以上。
现在，我发现以四维的方式思考问题很困难，虫洞只是一个让人一头雾水的狡猾概念，让我们把它放在一边。我做了一个简单的实验来揭示，人类的通过虫洞进行时间旅行现在或将来有没有可能。我喜欢简单的实验和香槟酒。
于是我将这两样我喜欢的东西结合在了一起，来看看从未来到过去的旅行是不是可能。
让我们设想我正在开一个派对，一个给未来的时间旅行者的欢迎会。但是我们做了一个小小的转变。在派对开始之前，我不会让任何人知道。我会在邀请函上给出具体时间和空间，然后期待在很多很多年之后，我会以某种方式收到它的副本。也许某天，某人生活在未来的人会发现会发现这个邀请函，然后乘坐虫洞时间机器回到现在来参加我的派对。这就证明了世界旅行是可能的。
同时，我的时间旅行者应该会随时光临。五！四！三！二！一！但是没有人出现。真让人沮丧。为什么这个实验没有成功呢？原因之一，就是那个著名的穿越时间回到过去会遇到的问题，我们称之为自相矛盾。
这些自相矛盾很有趣。最著名的一个是外祖父悖论。我有一个新的更简单的版本，我把它叫做疯狂的科学家悖论。
我不喜欢电影经常把科学家描写称疯狂的人，但是在这例子中，确实是这样。如果一个科学家通过虫洞回到过去，并开枪杀死了过去的自己。如果他在过去就死了，那么也就没有之后开枪的那个他了。这是个自相矛盾。
因此，我不得不说，虫洞本身是问题所在。像这样的虫洞不存在，原因在于反馈现象。其原理很简单，声音通过麦克风，它通过电线传播，然后被扩音器放大，最后回到说话者的耳中。如果很多个说话者向麦克风发出太多的声音，它会在这个系统中不停的循环，声音越来越大，如果没有人停止，那么这个反馈将会摧毁该系统。
同样的事情也会发生在虫洞里，只不过传播的不是声音而是放射线。随着虫洞的扩大，自然放射线会进入，最终形成循环。反馈现象将变得很强，摧毁虫洞。所以ｕ，尽管虫洞存在，尽管有一天它能被放大，它却不能存续足够久以通过一架时间机器。这就是为什么没有人从未来回到我的派对的真正原因。
任何通过虫洞或其他方法进行的时间旅行都是不可能的，否则会发生悖论。但是，故事还没有结束，并不是所有的时间旅行都被终止了。我相信时间旅行，去未来旅行。时间像河流一个流淌，我们每一个人都好想被时间无情地裹挟着。但是时间这条河还有另一面，它以不同的速度在不同的地方流淌，这就是通往未来的关键点。这个想法是由爱因斯坦在100年前提出的。他意识到，时间会在某些地方慢下来，在另一些地方快起来。他是对的，证据就在我们的头顶，在太空。
证据就是全球定位系统GPS。它由一个环绕地球的卫星网络组成，其中每个飞行器都有一个非常精确的时钟。但是即使如此精确，它们却每天都要走快万亿份之三秒。系统必须纠正这个误差，否则这个看上去很细微的差别会扰乱整个系统，导致地球上每一个GPS定位仪每天误差达6英里。你可以想象这会带来什么混乱。
问题并不出在时钟。它们之所以走快是因为时间本身在太空中走快了，造成这个不同寻常的现象的原因在于地球的巨大。爱因斯坦意识到，物质会拖住时间，使其慢下来。物体的质量越大，对时间的拖力就越大。而这个令人惊讶的事实正为我们打开了去未来做时间旅行的大门。
在银河的正中心，距我们26000光年的地方，存在着银河系质量最大的物质。这是一个超级巨大的黑洞，其质量就相当于四百万个太阳同时砸向了一个点。越靠近黑洞的地方引力越大，在最近的地方，连光线都不能逃脱。像这样的黑洞会使时间变得非常非常慢，从而成为一个天然的时间机器。
让我们来想象太空飞船是如何通过轨道运行证明这个现象的。如果控制飞行任务的太空站观测飞船每绕行黑洞一周需要16分钟，然而对于在飞船上的宇航员来说，时间变慢了一半，一次16分钟的绕行，他们只经历了8分钟。如果他们在他们的时间中绕行5年的话，当他们再次回到地球时，地球上的人们都比他们年长了5岁。
因此，超级大质量的黑洞是一个时间机器，相比起虫洞它不再导致悖论，也不会因为反馈效应自我毁灭。但是它很危险，距离很远，并且不能把我们带到很远的未来。幸运的是，还有另外一种时间旅行的方法，这是我们最后也是最好的建造时间机器的机会。
你所要做的只是，很快很快很快地旅行，甚至比逃离黑洞引力所需要的速度还快。这个方法基于另一个奇怪的自然原理。宇宙存在一个速度极限，那就光速每秒186000英里。没有东西可以快过这个速度，这是一个科学定论。不管你信不信，以接近光的速度行进能带你去到未来。
让我们想象乘坐一辆速度接近光速的火车，绕着地球一圈一圈飞行。假如火车于2050年1月1日来开站台，再绕地球飞行100年后再回到地球。这个时候地球已经是2150年，而火车上的乘客只经历了一星期的时间，因为火车内的时间被减缓了很多。于是，他们在一星期内穿越了100年来到未来。当然，建造一艘这么快的火车是很不可能的。但是，在瑞士的日内瓦，我们已经在世界上最大的粒子加速器中制造出非常相像的东西。

强子对撞机内部（凤凰网科技配图）
在深入地下的一条16英里长的循环隧道中，一连串数以万亿的小粒子在通电后，在不到一秒的时间内，加速到每小时60000英里。增加电力将使粒子的速度变得越来越快，直到接近光速，开始时间旅行。有一种叫做pi-mesons的粒子，存续时间非常短暂，只有十亿份之二十五秒，但是当他们被加速到接近光速时，它们的存续时间延长了30倍。
就是这么简单，我们只需要走得够快就能到达未来。人类历史上最快的交通工具是阿波罗10号，时速达到25000米。但是要做时间旅行，我们必须比这个速度快2000倍以上。要做到这个，我们需要一艘足够大的船，能够装得下加速到光速所需要的大量燃料。要接近光速，这艘飞船必须全速行驶整整6年。
由于飞船很大很重，刚开始加速可能会不明显，逐渐的它会快起来。一周内它会到达外星球，两年后它会达到半光速并远离太阳系，再过两年它能达到90%光速，距地球300万亿英里。然后，它就能在时间中旅行了，飞船上没过1小时，地球上会过2小时。
再经过两年的全速行驶，飞船将达到最大速度，99%光速。在这个速度下，飞船上的一天相当于地球上的一整年。我们的非常真的飞向了未来。
时间减速还有另一个好处，它意味着，在理论上，人可以在一生中经历非常远的距离。到达银行系边界的旅行将只需要80年时间。但是我们的旅行真正的意义在于，它揭示了宇宙的奇妙，时间在宇宙中不同地方以不同的速度流淌，虫洞无处不在。最后，我们人类可以利用我们掌握的物理知识，成为真正的航海家，朝第五维进发。
在虫洞中回到中世纪
——影片《时间线》中的爱情故事和物理学
江晓原
“虫洞”（wormhole）作为一个天体物理学中的术语，原是出于比喻。在英语中，蚯蚓、蛔虫之类的蠕虫，被称为“worm”，而虫子蛀出来的弯弯曲曲的洞——有点象中国古代线装书上被虫蛀出来的洞——则被称为“wormhole”。所以“wormhole”有时也被译为“蛀洞”或“蠕洞”，但是比较通行的译法是“虫洞”。
在天体物理学中，“虫洞”的意思，按照史蒂芬·霍金在《时间简史》中的通俗解释是这样的：“虫洞就是一个时空细管，它能把几乎平坦的相隔遥远的区域连接起来。……因此，虫洞正和其他可能的超光速旅行方式一样，允许人们往过去旅行。”说得更直白一点，就是从理论上说，虫洞可以让人从一个世界（时空）到达另一个世界。
这种想法，当然是科幻电影最欢迎的思想资源之一。电影《时间线》（Timeline）的故事结构，就是在此基础上建立起来的。
故事开始于现今的某个年代，类似于时间机器的东西已经被人类制造出来。一位考古学教授正在向学生们讲述英、法之间“百年战争”中的一次战役，另一位年轻的考古学家安德烈·马瑞克则补充了动人的历史情节：英军将仪态万方的法国贵妇克莱尔杀害，并在拉洛克城堡上示众，结果法国骑士们义愤填膺，为替美人复仇奋不顾身，终于攻克城堡。
马瑞克还在考古遗址发现了一个石棺，上面有一位骑士和一位贵妇牵手并卧的石雕，他向同伴感叹，贵妇的雕像多么美丽，以及骑士和她牵手多么浪漫。奇怪的是，那位骑士雕像是没有右耳的。
接下来的情节就奇峰突起了。教授在旅行中不慎遭遇了一个虫洞——这个虫洞虫洞所对应的时空点，是中世纪后期，公元1357年的法国，英法“百年战争”正在这里进行着，两国的武士们在这片土地上反复厮杀。教授失陷在这个时空点上，无法回到现在。
为了将教授从1357年救回来，有关方面决定将五位年轻的考古学家派往这个时空点。为什么不派特工、特警之类的人物，而要派考古学家呢？有关方面的负责人解释说：“我的人不懂中世纪文化，”结果这五位年轻人就不得不去往一个六百多年前的陌生世界。
他们前往过去世界的途径，仍然是那个虫洞。经历虫洞的光景，照例是变形、高亮度、最后消失，这是不少科幻电影和小说——比如李连杰主演的《救世主》（The One）——中想象的光景，《时间线》也未能免俗。至于如何回来，这部电影中的办法是：五位考古学家每人都有一个硬币状挂件，只要在适当的空地上按下挂件上的按钮，就可以回到现在——但这只是理论上如此，实际上他们的挂件大多被英国武士抢走或弄坏了。
通过虫洞前往过去或未来世界，毕竟是一个相当抽象的概念。《时间简史》之类的书中所画的虫洞图像，通常是两片平行宇宙，代表两个不同的时空，也即两个不同的世界，中间有圆锥状的通道，那个通道就是虫洞，也就是所谓的“爱因斯坦—罗森桥”。
令人惊奇的是，史蒂芬·霍金等人想象的这种图景，竟然和中国古代的宇宙图景异曲同工！古代中国的宇宙学说中，有一派称为称为“盖天”，认为天地就是平行平板，天地之间，北极之下，是一个圆锥形的柱子，这种图景，和中国古代传说中的神木、天柱、登葆山等等，以及古代印度宇宙图景中的须弥山之类，都有相似之处，而后面这些东西，都被认为是天地之间的通道。所有这些，都和“爱因斯坦—罗森桥”有着某种形式上的相同之处。
从抽象的意义上说，在古人心目中，天地是两个不同的世界，天上是众神所居，地上是凡人所住，天、地之不同，几乎类似于两个不同的宇宙或时空。至于“天上一日，地上千年”之类的传说，更与不同的时空概念大有巧合。如果将古代的这些传说，视为某个已经消失（或者离去？）的高级文明留下来的吉光片羽，当然是缺乏根据的。但是，这些传说中天地之间的通道，它们的形状确实和史蒂芬·霍金等人想象的虫洞十分相似。
当我们再次离开抽象的思辨和联想，回到《时间线》那里，影片中最动人的爱情故事就展开了。五位年轻的考古学家到达1357年的法国，立刻卷入了英法之间的战争，没多久他们中的一位就被英国武士杀死。
马瑞克遇见了贵妇克莱尔，而且和她相爱了。但是在拉洛克城堡攻防战中，克莱尔被英军俘获，马瑞克也被击倒在地，英国武士的战斧向他劈头砍来——马瑞克是现代的文弱书生，在古代的专业武士面前哪里是对手？眼看小命休矣，他只能将脑袋向旁边避让，战斧闪电般落下，劈去他的一只耳朵。他先是痛呼“我的耳朵”，忽然脑海里灵光一闪，想起他发现的石棺上的无耳骑士雕像，大叫一声“那就是我！”顿时天降神勇，奋不顾身，挺剑而斗，竟将英国武士一剑刺死！随后英雄救美，护着克莱尔逃出敌阵。
当同伴们找到失陷的教授，准备返回现在时，马瑞克竟不愿意和他们一同回去——他要和他心爱的克莱尔一起生活。
电影结尾处，考古学家们再次来到先前马瑞克发现的石棺那里——他们现在当然已经知道那个无耳骑士就是马瑞克。他们仔细释读雕像下面的铭文，发现有如下字样：“安德烈·马瑞克及爱妻克莱尔。……我选择了一种美妙的生活。”联想到影片开始时马瑞克对同伴说他要“自己创造自己的历史”，正是暗示这一结局。而马瑞克的生卒年，现在变成了“生于公元1971年，卒于公元1382年”！
这个美妙的结局，再次涉及史蒂芬·霍金《时间简史》中的问题：人回到过去能不能干预历史，改变历史？一种结论是只能旁观，不能干预，不能改变，这被霍金称为“协调历史方法”；另一种就是所谓的“多世界”（“多重宇宙”）理论，人回到过去可以干预历史，改变历史，实际上是产生一个新的世界和历史，这被霍金称为“选择历史假想”。霍金本人似乎倾向于前一种结论，但是毫无疑问，科幻电影的编剧、导演们，科幻小说的作者们，都是喜欢后一种结论的——谁都看得出，只有采纳后一种结论才编得出好玩的故事嘛。
什么是虫洞60多年前，爱因斯坦提出了“虫洞”理论。那么，“虫洞”是什么呢？简单地说，“虫洞”是宇宙中的隧道，它能扭曲空间，可以让原本相隔亿万公里的地方近在咫尺。
早在20世纪50年代，已有科学家对“虫洞”作过研究，由于当时历史条件所限，一些物理学家认为，理论上也许可以使用“虫洞”，但“虫洞”的引力过大，会毁灭所有进入的东西，因此不可能用在宇宙航行上。
随着科学技术的发展，新的研究发现，“虫洞”的超强力场可以通过“负质量”来中和，达到稳定“虫洞”能量场的作用。科学家认为，相对于产生能量的“正物质”，“反物质”也拥有“负质量”，可以吸去周围所有能量。像“虫洞”一样，“负质量”也曾被认为只存在于理论之中。不过，目前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”能存在于现实世界，并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”。
据美国华盛顿大学物理系研究人员的计算，“负质量”可以用来控制“虫洞”。他们指出，“负质量”能扩大原本细小的“虫洞”，使它们足以让太空飞船穿过。他们的研究结果引起了各国航天部门的极大兴趣，许多国家已考虑拨款资助“虫洞”研究，希望“虫洞”能实际用在太空航行上。
宇航学家认为，“虫洞”的研究虽然刚刚起步，但是它潜在的回报，不容忽视。科学家认为，如果研究成功，人类可能需要重新估计自己在宇宙中的角色和位置。现在，人类被“困”在地球上，要航行到最近的一个星系，动辄需要数百年时间，是目前人类不可能办到的。但是，未来的太空航行如使用“虫洞”，那么一瞬间就能到达宇宙中遥远的地方。
据科学家观测，宇宙中充斥着数以百万计的“虫洞”，但很少有直径超过10万公里的，而这个宽度正是太空飞船安全航行的最低要求。“负质量”的发现为利用“虫洞”创造了新的契机，可以使用它去扩大和稳定细小的“虫洞”。
科学家指出，如果把“负质量”传送到“虫洞”中，把“虫洞”打开，并强化它的结构，使其稳定，就可以使太空飞船通过。