科學總是給一些幻想打上不可能的標簽。穿越時空大概是所有人最想做的事了，到過去見一見思念的人，到未來看看自己過的怎樣。但廣義相對論提出已經一百多年了，為什么時光機還沒造出來！

懷舊空吟聞笛賦，到鄉翻似爛柯人。

「爛柯人」講的是晉朝一個叫王質的人上山砍柴，就看了一會別人下象棋，發現斧子已經爛了，回到家竟已過了數百年，和他同一時代的人都不在了。

但這個神話故事存在很多疑點，數百年的時光去哪了？王質進入了時空蟲洞嗎？要是再多看一會下棋，豈不是都穿越到2021年了？天上一天，地上一年有科學道理嗎？

不少人也是在爛柯人的故事中感慨和幻想著「時空穿越」。

好消息是，愛因斯坦的相對論提供了一種穿越時空理論上的可能性，只需要超越光速或者進入能夠扭曲時間的黑洞中，就能夠穿越時空。

當然了，能否實現是工程上的問題，并非理論物理學家要解決的問題。

壞消息是，時間維度和空間的三個維度實際上是混合在一起的，雖然我們在空間中可以前進和后退，但時間維度上卻無法倒流，這也是宇宙的規則。每當我們想要制造一臺時光旅行機器，宇宙就會毫不留情的給你加一條規則。

想超光速進行時間旅行？不好意思，宇宙內不能超越光速。

時空旅行根本不可能？

關于時空旅行的辯論，從物理學一直打到了哲學。

法國科幻小說作家René Barjavel在1943年時提出了著名的「祖父悖論」。

假如你回到過去，在自己父親出生前把自己的祖父殺死，那么此舉動會產生一矛盾的情況：你回到過去殺了你年輕的祖父，祖父死了就沒有父親，沒有父親也不會有你，那么是誰殺了祖父呢？或者你的存在表示，祖父沒有因你而死，那你又怎么殺死祖父？

但物理學家對此表示，如果現有理論解釋不了，我就再來一個，于是「平行宇宙」出現了。

當你回到過去殺你的祖父時，你殺的其實是另一個宇宙的人，或者你的這個舉動也可以創造一個新的平行宇宙，而祖父的死只會使那個平行宇宙的人不再存在，而這個平行宇宙的人則平安無事。

還有一種解釋是，也許能夠進行時空旅行，但你所能做的事實際上受到宇宙的限制，過去的事發生后無法再變，你不能殺死祖父，但你「扮演」一個陌生人給你的祖父和祖母安排一場相親還是沒問題的！

也有哲學家認為，是否時間這個概念只存在于人類意識中，只是用來同步人類感官的一種形式。也許錯在我們，把這種主觀概念強加給了宇宙，那關于時間的研究也就沒什么意義了。

廣義相對論帶來希望

愛因斯坦于1916年在廣義相對論（General Relativity）中首次將引力場解釋成時空的彎曲。把宇宙想象成一個「大床墊」，上面的球越重，產生的凹陷越大，附近的球向他滾動的也越快，看起來就像是被吸引過去一樣。除了空間維度外，床墊上的凹陷也會扭曲球附近的時間。

也就是說，有了廣義相對論，我們就能知道床墊的凹陷程度，根據凹陷程度，我們又能知道床墊上的球如何運動。

為了造出時光機器，物理學家們又提出封閉類時曲線（Closed Time-like Curve, CTC）的概念，試圖找到一條物質粒子在四維時空中的封閉運動軌跡。

也就是說，如果存在一條軌跡，能夠讓粒子在時空中走了一圈后又回到了原點，并且在整個過程中粒子的速度都沒有超過光速的話（也沒法超過光速），不就完成穿越時空了嗎，時光機不就造出來了嗎！

過去幾十年科學家們一直在嘗試解決時間旅行的問題，并且最詭異的是，CTC竟然在理論上是真實存在的！

著名數學家哥德爾發現，如果一個宇宙中充滿了緩慢旋轉的均勻塵埃（uniform dust），由于轉動產生的離心力和引力相互抵消，我們能夠在宇宙中找到纏繞在自己過去時間的軌道，這樣的宇宙也稱為哥德爾旋轉宇宙。

于1916年首次提出的蟲洞（wormhole）也能夠充當時間機器。理論上來說，蟲洞是連結兩個遙遠時空的空間隧道，由星體旋轉和引力共同作用下產生的，雖然蟲洞無處不在但卻轉瞬即逝。迄今為止，科學家們還沒有觀察到蟲洞存在的證據。

1974年物理學家弗蘭克進一步研究發現，如果存在一個無限長的圓柱體，當圓柱體旋轉到接近光速的時候，它的外部時空已經是一個CTC了，如果沿著這個柱子走一圈就會發現自己又回到了原點，還會遇到另一個剛開始準備繞圈的自己。這個柱體也稱為提普勒柱體。

黑洞的內部也是一個相當神奇的地方，同時存在極強的離心力和引力，也有可能產生CTC。

理論存在，實踐開始?。ㄕ`）

在廣義相對論的框架下，還有更多CTC的解被研究出來，一次又一次的證明時間機器存在的可能性，但這些解都有著極其特殊的要求，特殊到真實世界中根本達不到要求！

隨著物理學的進一步發展，在宇宙微波背景的觀察下，我們只能絕望的宣布，宇宙并不是旋轉，無限長的圓柱體并不存在，黑洞的內部出現了奇點（singularities，常用的物理學定律在奇點上統統失效），蟲洞的不穩定性甚至無法承受一個光子的通過。

既然造時光機這么難，那我證明造不了時光機不就行了？

巧的就是，類似于上面的CTC的各種解，物理學家們總能在廣義相對論中找到能夠進行時間旅行的證據，但每次又能在這些方法中找到一些無法達成的條件，似乎上 帝還沒有決定好是否給人類開放「時間旅行」的權限？

由于在CTC的研究上沒有取得任何進展，研究人員需要換一種思路來解釋「為什么時間箭頭只能向前」？

物理學家的第一反應就是研究基礎粒子??！但越研究就越困惑，微觀粒子的相互作用竟然都具有「時間反演對稱性」，也就是說一個粒子的運動過程不管是正著看還是反著看都是一樣的。

就像手里拿著一個蘋果向上拋，以拋作為起始節點，以接住為終止節點錄了一段視頻的話，就算視頻是倒放的，我們也看不出來。

當然，宏觀上是不存在時間反演對稱性的。

由于熱力學第二定律，所有孤立系統都會朝著最大熵狀態進行演化，也就是說不管在宏觀上做什么，只要有溫度，微觀粒子就在不停地運動，消耗能量，從而導致系統的熵（混亂程度）隨著時間的一直在不斷增大，兩個系統之間無法進行反演。

有人在屋子里嗦了個粉，漸漸地屋子里都是螺螄粉的味道，在屋子內所有的空氣分子都在不停地運動，熵逐漸增大且不可逆，但空氣中的分子間碰撞卻是時間對稱的。

熱力學的箭頭和時間的箭頭好像突然一致了起來，所以熵就是時間？人類一直以為的時間概念只不過是熵增的一個過程？為什么宇宙是熵增的？

目前我們還沒有觀察到違反熱力學第二定律的現象，但熱力學對時間的解釋只是「描述了時間不可逆這個現象」，并沒有解釋「時間是怎樣產生的」。

雖然熵的概念在十八世紀中葉就提出來了，但目前也還沒有人證明時間的推移和熵增之間的明確關聯，物理學家們還在各種各樣的概念中尋找靈感去解釋時間，未來也許真的能制造出一個無限長的圓柱體、或者制造一個蟲洞來進行時間旅行？

至少宇宙還沒有明令禁止時間旅行！

關于「穿越時空」的討論總是讓人興奮，但小編能做的只是坐等時光機的出現。

參考資料

https://arstechnica.com/science/2021/11/why-the-expletive-cant-we-travel-back-in-time/

本文來自微信公眾號“新智元”（ID:AI_era），作者：LRS，36氪經授權發布。