时间旅行简史
如今时间旅行已经是司空见惯的事，反倒是得费些脑力才能想象出一个无法去古代度假的世界。然而就在不久前，时间旅行不仅极为昂贵，还涉及许多技术上的不确定因素。甚至就在这种旅行方式即将问世的那几年，科学家们依然在争论时间旅行原则上究竟是否可行，如果可行又会带来什么后果。探索时间旅行的历史本身也是一场引人入胜的时间之旅，探索的过程中不仅有惊人的发现，也曾走过许多弯路。
真正的时空穿梭学说始于阿尔伯特·爱因斯坦提出的相对论。相对论又分为两种：狭义相对论和广义相对论。早在20世纪，狭义相对论就开辟了一条道路，能够让人们穿越到不久后的将来。根据这一理论，时间的流逝取决于人们运动的速度。乘坐飞船离开地球并以极快的速度飞到另一个星球的人，衰老的速度会比留在地球上的人慢。飞船返回后，地球上流逝的时间比飞船上流逝的时间更多。那么从飞船上的旅客的角度来看，他们就来到了未来。这一效果首次得到验证是在1971年，人们把几台极其精准的钟表放在飞机上往返飞行，从而证明了这一现象。当然，如果你只是坐着等着，同样可以进入未来。我们都在不由自主地一秒一秒走向未来。
关于未来我们就先说到这里。就时间旅行而言，过去比未来精彩得多。根据狭义相对论，我们知道光具备一定的速度。光的粒子每秒移动30万公里，因此当我们抬头仰望夜空时，看见的其实是过去。天狼星距离我们8.6光年远，你看见的是它8.6年前的样子。猎户座中最亮的那颗星距离我们将近1000光年，你看见的是它在11世纪时的样子。（不过星星的变化过程极其漫长，绝大多数星星1000年前的样子与今天没有太大区别。）爱尔兰科学家德塞尔比——由他的同胞弗兰·奥布莱恩创作的虚构人物——被认为是第一个意识到镜子中映出的其实是自己过去的面孔的人，这同样是由于光的传播速度是有限的。据说德塞尔比借由一套巨型镜子组合看到了12岁的自己[1]。
真正前往过去旅行则要以不同的理论和技术为基础。要想回到过去，需要的是爱因斯坦的广义相对论，在广义相对论中，时间是时空的四个维度之一。因此表示时间的之前、之后与表示物体方位的前、后、上、下相似，是时空里的方向。除此以外，重力也在其中发挥了重要的作用。质量大的物体的存在会使时空结构发生弯曲，这就好比你坐在沙发上沙发垫会凹陷下去。如果你在弯曲的时空里坐下来，你就会滑进另一个空间，或者另一个时间。我们都知道这样一个道理：假如你从房顶跳下去，重力自然会带着你下落，你不需要进行任何其他操作。广义相对论则告诉我们，你可以用与之类似的方式在时间中下落，至少在理论上是这样的。至于如何控制这个过程，就属于技术方面的挑战了。
广义相对论提出的预言以及弯曲时空的理论，在20世纪和21世纪得到了多次证实。在质量巨大的物体附近——比如恒星，光线确实会发生弯曲。在离地心更远的位置——比如山上，时钟确实会走得更快一些，因此人们可以用一只（极其精准的）钟表来测量山的高度，2018年德国物理学家已经证实了这一点。也正是由于这个效应，地球的地核要比地壳年轻几岁。大质量物体之间的碰撞会造成空间和时间上的涟漪，就像把石头扔进水里，只是这种涟漪的性质完全不同。这些引力波首次被直接探测到是在2016年。尽管广义相对论最初问世时人们都觉得十分荒谬，但它实际上是一套非常可靠的理论。在20世纪的物理学界，不少理论也都有过类似的经历。
关于时空穿梭机的最早理论设想，同样也建立在广义相对论的基础之上。爱因斯坦提出这一学说后，人们可以大胆地宣布在空间和时间中——至少理论上来说——可能存在环线，而不用担心遭到嘲笑。如果将空间或时间弯折，原本相隔数光年或者年份相距甚远的两个点就有可能变得很近。假如你用的是一张二维的纸，而不是四维的时空，这个过程就容易想象多了。把纸折叠起来，直到纸的两端彼此触碰，那么从一端到另一端的路途就缩短了许多。在折叠世界里，银河系的一个边缘可能紧挨着另一个边缘，尽管两地之间相隔几千光年的距离。中世纪也许紧挨着当今时代。
早在数十年前，这种时间上的捷径就以“虫洞”的名字为人所知，这是1957年物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒[2]提出的概念。人们可以把虫洞想象成一条隧道，在这条隧道里时间的运行方式与外界不同，这是一条穿越时间的高速公路。当然了，时间旅行与现实中的虫子和洞并没有什么关系。如今我们把这些时空高速公路称为“波尔祖诺夫隧道”[3]，该名称来源于俄国的蒸汽机发明者伊万·波尔祖诺夫，1766年他在蒸汽发动机即将制造完成前死于肺结核。跟常见的情况一样，科学发现的命名者与科学发现本身没有任何关系，这一原则被称为“斯蒂格勒定律”（该定律以斯蒂芬·斯蒂格勒[4]的名字命名，但他本人将这个定律的发现归功于罗伯特·金·默顿[5]）。总之人们早就推测出时间旅行与虫洞有关，然而虫洞的产生极其耗费能源，对环境很不友好，因此这种交通方式如今已被抛弃。
一旦人们开始从科学角度认真思考时间旅行，全新的问题便会随之出现。其中最著名的就是所谓的“祖母悖论”：假如我穿越到过去，在祖母或外祖母生下我的母亲或父亲之前把她杀死，我就阻止了自己的存在——同时也阻止了自己在过去的存在。这也就是说，我根本不可能杀死我的祖母。在专业文献中，这个棘手的问题原本被称为“祖父悖论”，直到许多人发现自己根本不是他们所认为的祖父的后代，而是别人的后代。尽管改了名字，但问题本身并没有改变。如果我杀死自己的祖母，我依然会陷入一个看似无路可逃的邪恶循环。
当然，人们不能对这种情况坐视不管。已经发生过的事是无法撤回的。长期以来科学家一直在试图解开谜团，避免这种悖论出现，并且找到了一些有创意的解决方案。俄罗斯天体物理学家伊戈尔·德米特里耶维奇·诺维科夫提出了“诺维科夫自洽性原则”[6]，根据这一原则，导致悖论是不可能实现的。诺维科夫举的例子是把一个台球推进虫洞，让台球在虫洞中与自己的早期版本相撞，从而阻止台球在一开始进入虫洞——这是“祖母悖论”的另一个版本，没那么残暴，而且在数学上更简单。诺维科夫提出，自然法则天然就排除了这种可能性。在时间旅行中，旅行者的行为举止十分受限，谋杀自己的祖母不仅是刑法（或者过去类似的法律）所禁止的，也是物理定律所禁止的。这就好比你到某个专制独裁的国家旅行，独裁者的随从会跟着你，不断规范你的行为，只不过在这种场景里独裁者和他的随从是无形的。过去专横地决定了时间旅行者的哪些行为是被允许的。如今诺维科夫更为人熟知的，是他在1964年提出了白洞[7]可能与黑洞同时存在。相比之下这一理论更加成功。今天的我们已经很难想象，日常生活中如果没有白洞将会是怎样的情景。[8]
为避免围绕着祖父母和台球而产生的时间悖论，物理学家提出了其他理念。出于某种尚不为人知的原因，有些人抱着时间旅行不可能实现的希望。还有些人推测虽然时间旅行或许可能实现，但是时空穿梭机一旦启动就会自动销毁。这两种假说都有个优点，即它们干脆利落地消除了伴随时间旅行而产生的另一个问题：假如通往过去的时间旅行可以实现，那么今天我们生活的世界中不应该到处都是时间旅行者吗？为什么没有穿着奇装异服、自以为无所不知的人把未来的疾病传播到现在？2009年，著名物理学家斯蒂芬·霍金举办了一场聚会，邀请函在聚会结束之后才发出——这场聚会只邀请来自未来的人参加。没有人出席这场聚会。无论在哪个年代，物理学家的幽默总是让人难以理解。
虽然这在今天的我们看来似乎很荒谬，但是人类历史上确实存在这样的时期，在当时看来，瞬间将图像和信息从地球的一端传送到另一端几乎是不可能的。木星距离地球只有6亿至10亿公里的距离，然而在许多时代，前往木星似乎是天方夜谭。认为时间旅行不可能实现的人不见得头脑简单、智力低下，他们只是生活在与我们不同的时代而已。
顺便说一句，过去因为种种问题而没有实现时间旅行，并非是百害无一利的。从前的作家和编剧不需要太费脑筋就可以消除或解释作品情节中存在的逻辑错误：无论是不小心杀死了女主角，毁灭了世界，还是忘了将那把后来协助解开凶杀案的沾血的匕首放在犯罪现场，有了时间旅行都能够得以解决。然而，在时空穿梭机得以普及的今天，这些天马行空的设定可能就经不住推敲了。
除了广义相对论，20世纪物理学的另一个支柱是量子物理。在这方面，专业人士也在努力解决基础性的难题。首先，大多数人都相信一种通常被称为“波函数坍缩”的现象——在这个过程中，几个可能存在，但无法被人观察到的不同版本的世界叠加起来，合成了一个世界。一旦人们去测量或观察某些现象，坍缩就会随之发生。若是你去观察电子或者其他类似的微小的东西，很容易产生这样的想法：如果你将一道电子束射向一面带有两个孔的屏障，从屏障背后来看，粒子似乎同时穿过了这两个孔——但这其实是你没有仔细观察单个粒子的行为。你如果去观察单个粒子，就会发现电子只能穿过两个孔当中的一个。“两者兼有”的特殊量子世界消失了，它“坍缩”了。波函数坍缩是把神秘的量子世界与充斥着普通事物的世界联系起来的一种尝试，在日常世界里，物体要么在这里，要么在那里；要么在左边，要么在右边；要么是红色的，要么是蓝色的；要么是完整的，要么是破碎的，但两种状态不会同时存在。而如今，波函数坍缩已经与燃素[9]、以太[10]和火星运河[11]一起躺在了科学史的垃圾堆里[12]。
埃尔温·薛定谔——量子力学的众多父亲之一——曾经借助一只被锁在盒子里的猫来解释量子世界与日常世界之间的冲突。盒子里可能会释放出致死剂量的放射性物质，也可能不会。如果你想知道微小的粒子是如何导致猫咪死亡的：以一个放射性原子为例，一个小时后它可能衰变，也可能不衰变。如果原子衰变，就会释放出一个粒子，而这个粒子会触发盒子里的机关，最终释放出毒药。一小时结束时，原子既是衰变的又是完好的，猫既是死的又是活的。猫不再仅仅是猫，而是一个复杂的波函数，描述的是几只猫的叠加态。只有当你打开盒子时世界才会决定其中的一个版本，这就是波函数坍缩。（顺便说一下，在这个假想实验中猫的死亡只是戏剧性元素，我们也可以用两只活着的猫讲述类似的故事。2014年，美国物理学家肖恩·卡罗尔就这样做过：用一只同时处在沙发底下和桌子底下的猫来阐述这个实验。由于道德方面的原因，如今的教科书更喜欢采用这个版本。）
但是也许这根本不需要坍缩就能够实现，20世纪一些物理学家已经对此产生了怀疑。也许量子世界是唯一意义重大、唯一真实存在的世界。至于电子也有两个版本，每个孔各一个。薛定谔的猫也有两个版本，分别在箱子打开之前和打开之后。在世界的某个地方这只猫已经死了，在另一个地方它却还活着。在世界的某个地方，卡罗尔的猫在沙发底下，在另一个地方它却在桌子底下，甚至在我们查看过之后，这只猫依然同时以这两种状态存在。只不过现在有两个版本的观察者，一个放出了箱子里的活猫，另一个则发现了死猫。总的来说，一切事物都有非常多的版本，所有这些版本都是平行存在的。量子力学提出的所谓多世界诠释创造出了一个更优雅、更温和、更丰富的现实，一切事物都可以存在于其中，量子与猫之间亦不存在生硬的过渡。
21世纪初，科学论文中出现了越来越多的对多世界、多宇宙以及平行宇宙的可能性的探讨。物理学家迈克斯·泰格马克[13]区分了四种不同类型的平行宇宙，这些宇宙之间有些部分彼此重叠。根据泰格马克的说法，首先，我们生活的这种宇宙有许多个，就好比摩天大楼里有许多间公寓。除此以外，还可能存在许多宇宙，其中适用的物理定律与我们的宇宙完全不同，因此它们看起来也与我们的宇宙截然不同。这些宇宙中的绝大多数都是空的，里面没有居民。再就是前面提到过的量子力学诠释的有多只猫的多世界，这种诠释最早是在20世纪60年代由休·艾弗雷特三世[14]提出，后来海因茨-迪特·策[15]和戴维·多伊奇[16]对此进行了进一步思考。在此基础上，泰格马克又增加了一个数学上的超级平行宇宙，其中包含了之前提到的所有平行宇宙。最后，物理学家和作家布赖恩·格林[17]在他的《隐藏的现实》（The Hidden Reality）一书中甚至提出了九种类型的平行世界（其中有几种与量子力学没有任何关系）。
我们为什么要讲这些内容呢？有了量子力学的多世界诠释，我们才第一次有可能在考虑时间旅行时既不会陷入逻辑陷阱，又不必限制时间旅行者的自由。在过去的某个版本中，祖母被她穿越时空的孙子杀死，而在另一个版本中这场时间旅行从未发生，祖母平安地活了下来，生下了后代，最终按照人们记忆中的方式死去——或死在战争中，或死在养老院里。历史书的记载依然如故，悖论得以解决，与此同时人们也明白了为什么自己在过去不会遇到其他来自未来的旅行者——他们在一个与之平行的世界里旅行，彼此离得并不远，就在隔壁，但仍然是无形的，就像实验中的第二只猫，它也许在沙发底下，也许在桌子底下，总之不在我们能够直接看见的地方。
有关平行世界的设想在提出之初就遇到了阻力。有些人认为多世界诠释纯属浪费精力。只是为了解释某些差异，我们就要编造出无限多的猫吗？支持者则反驳道：实际上人们并没有编造出猫，那些猫原本就存在。对世界最简单的一种诠释就是坦然接受它们的存在。理解波函数坍缩比这要复杂得多。
然而，还有一些人想为某个特定版本的宇宙确立特殊的地位。他们的论点是其他猫存在的影子世界并不是真正存在的世界，而是像一场刚刚从中醒来的梦境。平行世界的支持者则声称事情不是这样的，每个世界以及每个世界中的每个时刻或有意义、或无意义，但它们的价值是完全等同的。这些世界真正彼此平行，而不是分为一个主世界和许多个副世界。正如1997年戴维·多伊奇所说：“其他时间只是其他宇宙的特殊情况。”他这句话的意思是：所有可能出现的平行世界都已经存在，人们唯一改变的是自身的经历。
紧随这些讨论而来的问题便是：在这样一个充满平行空间的世界中，人们应该如何自处——这是21世纪最重大的哲学辩题之一，而且与时间旅行者有着直接的关系。倘若真如戴维·多伊奇所说，世界的所有版本都已经存在，那么你（或者某一版本的你）杀死你的祖母（或某一版本的祖母）的世界版本也存在。你无法对此施加任何影响。无论你此刻是否杀死祖母，世界仍然是原来的样子。既然如此，又有什么因素能阻止你呢？作为时间旅行者，你对世界能造成多大的影响？如果你每做出一个决定都会产生一个新版本的你，那你对世界还有影响力吗？做出决定的这个人到底是谁？你为什么对其他版本的自己毫无感知？你是所有版本的总和，还是只是其中一个？你们当中有十分之一的人杀死了祖母，其余的人则没有，这又意味着什么呢？（更多相关内容请参考《关于时间旅行的九种传言》一章。）
相关的辩论就这样持续了一段时间。人们之所以没能得出真正的结论，原因有二。首先是我们了解的内容太少，比如人类的意识如何运作，以及我们如何做出决策。其次是我们一直在按照错误的理论去认识世界。如今我们已经知道广义相对论和量子力学存在问题——或者用更客气的说法来说，它们不够完善。这些理论就像是古老的骑士城堡——人们为这些历史遗迹而惊叹，欣赏它们的美，却并不想在里面居住。要想对世界做出解释，人们需要把这两种理论结合起来。20世纪的物理学家已经明白了这一点。他们要寻找的是广义相对的量子理论或量子化的广义相对论。实际上，在那之后不久他们就会发现一些全新的东西。
在过去的理论中依然不存在现今这种时间旅行的概念。到过去的任何一年去旅行似乎是不可能实现，甚至是无法想象的。人们对于中转区——环绕在所有平行世界周围、人们穿过后就能实现时空穿越的区域——还一无所知。2013年，物理学家胡安·马尔达西那[18]和伦纳德·萨斯坎德[19]推测，宇宙中相距甚远的点是有可能彼此触碰的。它们不仅通过前面提到的虫洞彼此相连，甚至就连它们最小的粒子也彼此纠缠在一起。如果在这个基础上更进一步，人们便能够瞥见中转区的边缘，正是这个边缘地带为我们打通了回到过去的道路。这便是现代时间旅行的曙光。
世界的数量是无限的，无论我们自身还是其他事物都拥有无限多个版本，或者说拥有存在无限多个版本的可能性，这种认知对于今天的我们来说是再自然不过的事情，然而在相当长的一段时间内人们都很难相信、无法理解这种理念。人们的直觉是由当时的主流观念塑造而成的，往往需要适应一段时间才能自然而然地认为最好的解释才是正确的。根据日心说的世界观，地球在以极快的速度围绕着太阳运动，尽管我们不太可能真切地目睹这个现象，但是对于如今大多数人来说这是不言自明的事。虽然我们完全察觉不到地球在转圈！经过漫长的辩论与争吵，提出又摒弃了诸多怪异的理论之后，科学最终走向了正确的未来。而很长时间以后，人们才会发现一切都与自己此前的想象有着诸多不同之处。
[1] 该情节出自爱尔兰小说家弗兰·奥布莱恩（Flann O’Brien，1911—1966）的小说《第三个警察》（The Third Policeman ）。——译者注（如无特殊说明，本书注释均为译者注。）
[2] 约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler，1911—2008），美国理论物理学家，广义相对论领域的重要学者，他最重要的工作是与玻尔合作于1942年共同揭示了核裂变机制，并参加了研制原子弹的曼哈顿工程。 另外，惠勒还推广了“黑洞”一词，发明了“量子泡沫”“虫洞”等术语，霍金称他为“黑洞故事的主人公”。
[3] “波尔祖诺夫隧道”是本书作者虚构的概念，在后记中有所说明。
[4] 斯蒂芬·斯蒂格勒（Stephen Stigler，1941— ），美国芝加哥大学统计学教授。
[5] 罗伯特·金·默顿（Robert K.Merton，1910—2003），美国著名社会学家、科学社会学的奠基人和结构功能主义流派的代表人物之一。
[6] “诺维科夫自洽性原则”（Novikov self-consistency principle）是俄罗斯理论物理学家伊戈尔·德米特里耶维奇·诺维科夫（Igor Dmitriyevich Novikov，1935— ）在20世纪80年代提出的时间悖论原则，该原则指出人可以回到过去，但是不能因此而改变历史的进程。
[7] 在广义相对论中，白洞（White Hole）是一种理论推测出来的时空区域，物质与光线无法进入这个区域中，但是可以从这个区域向外放射。白洞的性质与黑洞相反，光与物质可以进入黑洞中，但是无法从黑洞中离开。
[8] 白洞理论是确实存在的，但是这句话是作者假想的场景，详见本书后记。
[9] “燃素说”是一个已被取代的化学理论，起源于17世纪。该理论假设，任何物质在燃烧时，都会释放出一种名叫燃素的成分。
[10] 以太，原本是古希腊哲学家亚里士多德设想出来的一种物质，为五元素之一。19世纪的物理学家认为以太是一种假想的电磁波的传播介质。然而后来的实验和理论表明，如果不假定以太的存在，很多物理现象可以有更为简单的解释。也就是说，没有任何观测证据表明以太存在，于是以太理论被科学界抛弃。
[11] 19世纪末人们曾误以为火星上存在“运河”。早期天文学家使用低倍望远镜观测到火星赤道南、北纬60°之间地区分布着大片细长的直线网络。20世纪初，通过改进后的天文观测设备人们发现“运河”实际上是一种光学幻觉。
[12] 本书后记中有说明，这是作者为了解释时间旅行而虚构的情况，波函数坍缩理论现在依然受到认可。
[13] 迈克斯·泰格马克（Max Tegmark，1967— ），宇宙学家，现为麻省理工学院教授，生命未来研究所的创始人之一。
[14] 休·艾弗雷特三世（Hugh Everett III，1930—1982），美国理论物理学家，以提出量子力学的多世界诠释而闻名。其祖父和父亲都叫休·艾弗雷特（Hugh Everett），因此他叫休·艾弗雷特三世。
[15] 海因茨-迪特·策（Heinz-Dieter Zeh，1932—2018），德国理论物理学家，生前为海德堡大学教授。
[16] 戴维·多伊奇（David Deutsch，1953— ），英国物理学家，牛津大学教授，量子计算领域的先驱，主要科普作品有《无穷的开始：世界进步的本源》等。
[17] 布赖恩·格林（Brian Greene, 1964— ），美国著名理论物理学家，哥伦比亚大学教授，著名科普作家，主要科普作品有《宇宙的琴弦》《隐藏的现实》等。
[18] 胡安·马尔达西那（Juan Maldacena，1968— ），阿根廷理论物理学家，普林斯顿高等研究院教授，主要研究广义相对论和超弦理论。
[19] 伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind，1940— ），美国理论物理学家，斯坦福大学教授，美国国家科学院院士。