旅行到過去可需要相當的技巧。相對論允許這壹旅行發生在特定的時空結構裏：壹個旋轉的宇宙，壹個旋轉的柱體，以及非常著名的蟲洞——壹條貫穿空間和時間的隧道。
自從H. G. Wells於1895年撰寫了他的著名小說《時間機器》以來，時間旅行便成為壹個流行的科幻小說主題。但是它真的能實現嗎？建造壹臺把人運送到過去或是未來的機器是可能的嗎？
數十年來，時間旅行壹直處於主流科學的邊緣。然而,近幾年內,該話題在壹些理論物理學家中間已成了個人的研究愛好。這壹變化部分是出於娛樂消遣——想象時間旅行可是件趣事。但此項研究也有其嚴肅的壹面。理解因果關系是嘗試建立壹個統壹的物理學理論的關鍵部分。如果無限制的時間旅行是可能的，那麽在原則上，這樣壹個統壹理論的性質可能會受到極為嚴重的影響。
我們對時間最完善的理解來自Einstein的相對論。在這些理論誕生之前，時間被廣泛地認為是絕對的和普遍的，不管人們的物理狀態如何，時間對於每個人都壹樣。在Einstein狹義相對論中，他提出測量兩個事件的時間間隔取決於觀察者如何運動。至關重要的是，運動狀態不同的兩名觀察者對於同樣的兩個事件將會體驗到不同的持續時間。
經常用“雙生子佯謬”描述的那個效應：假定Sally和Sam是雙胞胎，Sally搭乘壹艘飛船以高速駛向附近的壹顆恒星去旅行，然後折返飛回地球，而Sam只呆在家裏。對於Sally而言，旅行大約持續了壹年，但當她返回到地球並跨出宇宙飛船時，她發現地球上已經過去了10年，現在她的兄弟比她大九歲。盡管他們在同壹天出生，可是Sally和Sam是不再具有相同的年齡。這個例子說明了壹類有限的時間旅行。實際上，Sally已經跳躍到了九年後的地球的未來。
系統 詳細情況 累積的時間差
航空飛行 以920千米的時速飛行八小時 10毫微秒（相對於慣性參考系）
核潛艇巡遊 在300米的深處呆六個月 500毫微秒（相對於海平面）
宇宙射線中的自由中子 能量高達1018電子伏特 由15分鐘延長至30,000年
中子星 紅移度為0.2 時間膨脹了20%（相對於外太空
噴氣式飛機走慢了
被稱為時間膨脹的效應，總會發生於兩名作相對運動的觀測者之間。在日常生活中我們不會察覺到奇異的時間撓曲（time wraps），因為只有當運動接近於光速時，這壹效應才會變得顯著。即使以飛機的速度，在壹次典型的旅行中的時間膨脹總計就僅僅幾納秒——還不夠完成壹次威爾斯式的冒險（此處應該指威爾斯的科幻小說《時間機器》中短暫的時間旅行——譯註），不過原子鐘有足夠的準確度來記錄此項變化並證實時間的確被運動延長了。所以旅行到未來是壹個已被證明的事實，即使迄今為止它只達到了如此無法令人激動的程度。
建造蟲洞型時間機器的三個不太簡單的步驟
1.尋找或建立壹個蟲洞，開辟壹個隧道用來連接太空中兩個不同的區域。大型蟲洞可能天然地存在於外太空中，是宇宙大爆炸的遺留物。若事實並非如此，那我們只好湊合著使用比原子更小的蟲洞，它們或者是自然的產物（在我們周圍，每壹瞬間都有這種小型蟲洞誕生和消亡），或者是人造產品（就如此處圖中所示，它們由粒子加速器生產出來）。這些更小的蟲洞必須被擴大到實用的尺寸，也許要使用那些在宇宙大爆炸不久之後導致空間膨脹的能量場。
2.使蟲洞穩定下來。註入利用所謂的Casimir效應由量子產生的負能量，蟲洞便允許信號和物體安全地穿越它。負能量會抵制蟲洞坍縮為密度無窮大或接近無窮大的壹點的趨勢。換句話說，它阻止了蟲洞演變成黑洞。
3.牽引蟲洞。壹艘具有高度先進技術的太空船將蟲洞的入口互相分離開。壹個入口可能被安置在中子星表面，那是壹顆擁有強大引力場、極度致密的恒星。強烈的引力使得時間變慢。因為在蟲洞的另壹個入口處，時間流逝得更快，結果這兩個入口不但在空間內而且在時間上都被分離開了。
為了觀察真實而顯著的時間撓曲，壹個人必須躍出通常的經驗領域。在大型加速器裏,亞原子粒子可以被加速到接近光速的程度。這些粒子中的壹部分，例如μ介子，擁有壹臺內置的時鐘，因為它們以確定的半衰期發生衰變；根據Einstein的理論，觀測到在加速器裏高速運動的μ介子以慢動作衰變。壹些宇宙射線也經歷了驚人的時間撓曲。這些粒子如此接近於光速運動著，以致依照它們的視角，在幾分鐘之內便能穿過銀河系，縱然在地球的參照系中它們似乎花費了數萬年。如果時間膨脹沒發生過，那些粒子絕不會在這裏出現。
以高速運動是躍向未來的壹種方式。引力則是另壹種手段。在Einstein的廣義相對論中，他預言引力可以減緩時間的流逝。與在地下室相比，鐘在頂樓上要走得快壹些，在更接近於地心因而也更深入於引力場的情況下，這壹現象將愈加顯著。類似地，鐘在太空裏比在地面上走得更快。盡管這壹效應微乎其微，但它已被精確的時鐘直接測得。的確，在全球定位系統中必須考慮到這些時間撓曲效應。如果他們沒有考慮到這壹點，海員、出租車司機和巡航導彈將會發現自己偏離出規定軌道有許多公裏。
中子星表面的引力是如此強大，以致時間的流逝速度與地球上相比大約減緩了30%。在這樣壹顆恒星上進行觀察，事件看起來就像是快進的錄像。黑洞代表了時間翹曲的極致；在該天體的表面，時間相對於地球來說是停滯的。這意味著，倘若妳從附近落入黑洞，在妳到達其表面所花費的短暫的時間內，廣闊的宇宙已經歷了無限長的時期。因此，就黑洞外部的宇宙而言，黑洞內部是時間終結的區域。如果壹名宇航員可以急速地移動，他能夠十分靠近黑洞並且安然無恙地返回——沒有人不覺得這是富於幻想的，它的魯莽也就別提了，至於前景嘛——他可以躍進遙遠的未來。
我的頭正在旋轉
到現在為止，我已經討論了在時間中朝未來旅行的情況。那麽逆行又會怎樣呢？這可要成問題得多。1948年，新澤西州普林斯頓高級研究所的Kurt Gabriel提出了愛因斯坦引力場方程的壹個描述旋轉宇宙的解。在這個宇宙中，壹名宇航員可以在太空中旅行來實現回到過去的目的。這是引力影響了光的結果。宇宙的旋轉導致光（因而也包括事物之間的因果聯系）被拽住並環繞在它的內部，這使得壹個處於封閉環內的實物可以在空間的閉環中移動，同時也在時間的閉環中旅行，而任何時候都不會相對鄰近的粒子超光速。Gabriel的解釋被當作數學上的奇談而束之高閣——畢竟，沒有觀測跡象表明宇宙作為整體在旋轉。他的計算結果不過是證明了在時間中逆行並不違背相對論。的確，愛因斯坦表示他曾為自己的理論可能在某些情況下允許回到過去的想法而感到困惑。
其他壹些允許回到過去的猜想也已被發現。例如，在1974年，Tulane大學的Frank J. Tipler計算了壹個巨大的無限長旋轉柱體，在它的軸線處，宇航員們能夠接近於光速拜訪到自己的過去，即拽曳柱面附近的光線形成環狀。1991年，普林斯頓大學的J. Richard Gott預言了宇宙弦——宇宙學家設想它的結構是在宇宙大爆炸早期產生的——能產生相似的結果。但是20世紀80年代中期所湧現的最逼真的時間機器劇本，是基於蟲洞的概念構想出來的。
在科幻小說中，蟲洞有時被稱作星門；它們提供壹條貫通空間中彼此相距很遠的兩點之間的捷徑。跳過壹個假想的蟲洞，妳可能會在片刻之後出現於銀河系的另壹端。蟲洞自然地符合廣義相對論，憑借引力，不僅可以使空間彎曲，而且還能讓時間發生扭曲。理論允許連接空間中的兩點的可選路徑和隧道這樣的東西的存在。數學家提出了多重連結的空間形式。正像穿越山底的隧道要比山表面的道路更短壹樣，蟲洞可能也要比貫穿於普通空間的尋常路線來得更短。
卡爾·薩根在其1985年的小說《接觸》中，就利用了蟲洞作為壹個虛構的裝置。在薩根的提議下，Kip S. Thorne和他在加州理工學院的同事們著手去考察蟲洞是否與已知的物理學壹致。他們的出發點是蟲洞作為壹個與黑洞壹樣具有可怕引力的物體。但與黑洞不同的是，後者只提供壹次沒有目的地的單程旅行，而蟲洞將同時擁有壹個出口和壹個入口。
在環內
由於蟲洞是可穿越的，它必定包含了Thorne所說的奇異物質。實際上，這是某種能產生反重力效果來抵制壹個大規模系統因其自身強大的重力而被壓入黑洞的自然趨勢的物質。反重力，或是萬有斥力，能夠由負能量或負壓力產生。眾所周知，負能量狀態存在於特定的量子系統中，它表明Thorne的奇異物質並不被物理學定律所禁止，盡管目前尚不清楚，是否能收集到足夠多的抗重力材料以穩定壹個蟲洞。[參見《負能量，蟲洞和時空彎曲行駛》，Lawrence H. Ford 和Thoms A. Roman，《科學美國人》，2000年1月號 ]。
不久Thorne和他的同事們認識到如果穩定的蟲洞能夠被制造出來，那麽它很容易轉變為壹臺時間機器。壹名穿越蟲洞的宇航員也許不僅能出現在宇宙的某處，而且還會處於某壹時期，也就是——在未來或者是過去。
為了使蟲洞適合於時間旅行，它其中的壹個洞口應被引到壹顆中子星那裏，並安置在接近中子星表面的地方。恒星的引力會減緩蟲洞洞口附近的時間流逝，這使得蟲洞兩端之間的時間差逐漸積累起來。如果兩個端口都放置在空間中合適的地方，那麽時間差將保持凍結狀態。
假設這壹差值是10年。壹名宇航員從壹個方向穿越蟲洞，他將跳到10年後的未來，反之，宇航員若是從另壹方向穿越蟲洞，他將跳到10年前的過去。第二位宇航員以高速穿過平常的太空，回到出發點，他也許先於出發之前就回到家了。換句話說，空間中的封閉環可能會演變為時間中的環。壹個限制是宇航員不能回到首次建立蟲洞以前的那段時期。
壹項可怕的難題是最初創生的蟲洞將會阻礙蟲洞型時間機器的制造。也許空間由這麽壹類結構自然地串連成壹體——宇宙大爆炸的遺留物。如果是這樣的話，壹個超級文明大概能使用壹個蟲洞。或許，蟲洞是在極小尺度上（所謂的普朗克長度，大約是原子核尺度的10-20那麽小）天然生成的。原則上，這樣壹個微小的蟲洞可由脈沖能量來穩定，然後再以某種方式膨脹到可以利用的尺寸。
審查！
假如工程上的諸多難題都被克服了，時間機器的生產將會打開因果佯謬的潘多拉魔盒。例如，壹個時間旅行者到訪過去，謀殺了還是壹個年輕女孩的母親。我們如何弄明白這種事情意味著什麽？如果這個女孩死了，她就不能成為時間旅行者的母親。但倘若這名時間旅行者從未出現過，他就不能回到過去並謀殺自己的母親。
著名的母親佯謬（左圖）及其解決的方法（右圖）
著名的母親佯謬（有時會用其他的家庭親屬關系來系統地闡述）是由於人們或物體能夠在時間中逆行並改變過去時所引發的。壹個簡化的版本是以彈珠為例。壹顆彈珠穿過了蟲洞型時間機器，隨後便會擊中處於更早時候的自身，從而永遠阻止它進入蟲洞。
佯謬的解決方案源於壹個簡單的認識：彈珠不能違背邏輯或違反物理學定律行事。它當然不能以阻止自己的方式去穿越蟲洞，但沒有任何東西會制止彈珠以其他無限多的方式穿過蟲洞。
當時間旅行者試圖改變過去，這類明顯不可能的佯謬就會出現。但那並不阻止某人成為過去的壹部分。假定時間旅行者回到過去並從謀殺中拯救了壹個年輕女孩，這個女孩長大後成了他的母親。那麽因果環節現在便是自洽的，不再自相矛盾了。因果壹致性可能強行限制了時間旅行者所能做的事，但這並不排除時間旅行本身。
即使時間旅行不是嚴格地自相矛盾，它依然是不可思議的。仔細設想這麽壹位時間旅行者，他跳躍到壹年後，讀取了《科學美國人》未來版本上最新的數學定理。他記下了其中的細節，回到自己所處的時代，並把這壹定理教授給壹名學生，就是這名學生日後為《科學美國人》撰寫了文章。這篇文章當然正是那位時間旅行者所讀到的。接著問題出現了：關於這則定理的信息來自何處？不是源於時間旅行者，因為他只是個讀者，但也不是來自那名學生，後者可是從前者那裏學到了定理。信息似乎無緣無故驀地就出現了。
時間旅行異乎尋常的推論致使壹些科學家徹底拒絕這壹想法。劍橋大學的史蒂芬·霍金提出壹個“年代學保護猜想”，這將宣布因果環的失效。眾所周知，由於相對論容許因果環存在，年代學保護需要引入某壹其他因素進行調解，以防止旅行到過去的情況發生。這壹因素可能是什麽呢？壹個提議是量子過程會解決這項難題。時間機器的存在將允許粒子循環進入它們的過去。計算結果暗示了隨即發生的擾動將會自行增強，從中造成能量逃逸的浪湧可導致蟲洞崩潰。
年代學保護仍不過是個猜想而已，因此時間旅行依然保留其可能性。解決事情的壹個最終方案必須期待量子力學和引力的成功結合，也許要借助弦理論或它的擴展理論，即所謂的M理論。我們甚至可以想象下壹代粒子加速器將能生成比亞原子尺度的蟲洞，它們能存在足夠長的時間，使得附近的粒子能夠執行轉瞬即逝的因果環。這要比威爾斯對於時間機器的想象深遠得多，它將永遠改變我們的物理實在圖景。
參考資料：