第15章 超距传输器与时间机器

在时空中旅行

退回到20世纪60年代，当时的我或许真的是缺乏想象力。但在企业号注42的甲板上看到电脑确实令我感到难以置信。作为一个20世纪60年代的小学生，我可以接受空间跃迁，我也可以接受宇宙中到处都是说着英语的外星人；但我真的难以想象竟然有一台这样的机器：它可以根据要求立即播出历史人物的画面，详细解说任何已有设备的技术细节，又或者调出任何一本已出版著作。这样的一台机器超越了我的想象极限，令我很难相信。20世纪60年代末的时候，一个小孩当然会认为永远都不会有办法收集、存储如此巨量的信息。但仅仅半个世纪后，我就可以坐在厨房里用笔记本电脑无线上网，可以使用语音识别系统，还可以看《星际迷航》，手都不抬一下就可以在巨型的知识库中寻找资料——重不重要的都可以找到。诚然，《星际迷航》中23世纪的电脑有着令人羡慕的速度和效率，但是今天的我们也可以预见，一旦真的到了23世纪，我们的电脑技术将大大超越影片中勾画的水平。

注42：画出蜷曲的空间很容易，但由于时间与空间之间的联系紧密，时间也会因物质和能量而蜷曲。就像空间的蜷曲意味着空间被拉伸或压缩，如图3.10所示；时间的蜷曲也意味着时间可以被拉伸或压缩。也就是说，不同引力场中的时钟——比如一个在太阳上，另一个在外太空中——会以不同的速度运转。事实上，普通物体，比如地球和太阳（黑洞不在此列），所造成的空间弯曲远不如它们所造成的时间弯曲明显。

上面讲的只是科幻小说预言未来的众多例子中的一个。但在《星际迷航》这部电视剧中，最值得称道的仪器还得算是超距传输器——走进一间舱室，按一下按钮，然后你就被传送到遥远的地方或完全不同的时代。有没有可能在未来的某一天，人类真的可以超越空间与时间的局限，自由穿梭于时空，探索时空的最远疆界呢？科幻小说与科学之间的鸿沟有没有可能被填平呢？考虑到我已经告诉过你们，我小的时候完全没有办法相信真的会有信息革命到来的这一天，你们完全可以质疑我在预言未来技术突破方面的能力。所以，我们在这一章中不会妄加猜测未来会有什么，而要谈谈在朝着掌控空间和时间、实现超距传输器和时间机器前进的方向上，我们在理论和实践上已经取得了哪些进展。

量子世界的瞬间移动

在传统的科幻故事中，超距传输器（或者按照《星际迷航》中的名称——传送器）先要扫描某个物体以确定其全部组成信息，然后将这些信息发送到远方的某个位置，在那里，另一台机器将按照这些信息重构该物体。不管是先将物体本身“分解”，然后将其原子、分子与蓝图一起传送到远处来构建该物体的副本，还是直接用远端的分子和原子来构建物体的副本，都只是不同版本的小说式虚构。我们将会看到，过去10年间发展起来的超距传输方法在本质上与后一种情形倒有些接近，但由此引出两个问题。第一个是标准但棘手的哲学难题：如果真的可能的话，究竟从什么时候开始，我们才可以将副本识为、称为、认为是原始的物体，并像对待原始物体一样对待副本？第二个问题是，是否有可能——即使只是理论上的可能——完美地扫描一个物体，准确地探明其组成成分以便我们可以完美地绘制出该物体的蓝图从而重建该物体？

在由经典物理定律掌控一切的宇宙中，我们对第二个问题可以做出肯定的回答。理论上，组成一个物体的每个粒子的所有性质——每个粒子的类型、位置、速度，等等——都可以完全确定下来，并作为重构物体的蓝图传送到远方。当然，完全确定组成一个物体的全部基本粒子的所有信息会难得超乎想象；但是，在经典宇宙中，唯一的障碍来自复杂程度，而不是物理。

在一个由量子物理掌控的宇宙中——比如说我们的宇宙就是这样，情况则不是这么简单。我们已经知道，所谓的测量将使一个物体种种可能的性质中的一个脱离量子迷雾，使之获得确定的值。比如说，当我们观测一个粒子的时候，我们所观测到的当然是某一确定的性质，但这一性质并不能反映我们观测之前该粒子所具有的杂烩式量子性质。因而，一旦我们想要复制一个物体，我们就将面对量子的第二十二条军规。要想复制，我们就必须知道要复制些什么，要想知道复制些什么，我们就必须观测，而观测又会造成改变，所以我们要是按照我们所看到的进行复制的话，那复制的产物就不是观测之前的那个物体了。这就表明在量子世界中，超距传输是不可能实现的，并且这种不可能并不是由技术上的复杂性造成的，而是由量子物理的先天局限性造成的。但是，我们在下一节中将会看到，20世纪90年代早期，一个国际物理学家团队找到了一种巧妙的方法绕开了这一结论。

至于第一个问题，即原始物体与副本之间的关系，量子物理给了一个明确又鼓舞士气的答案。根据量子力学的原理，宇宙中的所有电子都彼此类同，因为它们都具有完全一样的质量，完全一样的电荷，完全一样的弱核力和强核力性质，以及完全一样的自旋。而且，已经经受住了实验检验的量子力学告诉我们：上面所列举的这些电子性质就是电子所能具有的全部的性质。按这些性质来看，全体电子彼此类同，而且也不存在其他可以用来区分电子的性质。同样，所有的上夸克彼此全同，所有的下夸克全同，所有的光子全同，总之，任何一种基本粒子都会彼此全同。几十年前量子方面的先驱者就认识到，粒子可以被看作一个场最小可能的波包（比如说光子就是电磁场最小的波包），而且，根据量子力学，一个场的这种最小组成总是全同的（或者，我们可以在弦论的理论框架下这样理解，同一种类的粒子之所以有全同的性质是因为它们都是同一种弦的全同振动模式）。

同一种类的两个粒子唯一有可能有所区别的地方是它们处于不同位置的概率，它们的自旋指向特定方向的概率，以及它们具有特定的速度和能量的概率。又或者按照物理学家们习惯的说法，两个全同粒子可以处于不同的量子态。但要是同一种类的两个粒子处于同一种量子态的话——有一种可能性不能算在内，即，一个粒子有极大的概率在这，而另一个粒子有极大的概率在那——量子力学原理就会保证它们不可区分，并且这种不可区分并不仅是实践意义上的，更是理论意义上的。这样的粒子可算是完美的双胞胎。一旦两个粒子交换彼此的位置（或者更准确地说，交换两个粒子处于给定位置的概率），我们将没有任何办法发现这种交换。

因此，我们可以这样想，开始的时候我们把一个粒子放于此处，然后不管通过什么办法把另一个放在远处的同一种类粒子置于完全相同的量子态（使之具有相同的自旋指向概率、能量概率等），这样制备的粒子就将与原始粒子不可区分，这样的过程就可以称为量子超距传输。当然，要是原始粒子在整个过程中毫发无损的话，你可能更愿意将这个过程称为量子克隆或量子传真。但是我们将会看到，这些想法的科学实现将无法保护原始粒子——在超距传输过程中它将会不可避免地被改变——所以我们不会为到底取什么名称而感到两难。

很多哲学家以不同的方式思考过的一个更为紧要的问题是，在一个粒子身上能实现的事情是不是也能在真正的宏观物体身上实现呢？如果你可以将你的DeLorean的每一个组成粒子都从一个地方传输到另一个地方，并且在这个过程中确保每个粒子的量子态以及彼此之间的相互关系100%地被复制，那你是不是就成功地传送了一台轿车呢？尽管没有实践经验可供参考，但是理论上得来的证据倒是强烈地支持已经成功传送这样的结论。决定一个物体看起来是什么样子，摸起来是什么感觉，听起来是什么声音，闻起来甚至尝一下是什么味道的就是物体中原子和分子的排列，所以传送过去的轿车应该就是原始的DeLorean——碰花的地方还在那里，左边的车门还是嘎吱嘎吱地响，你养的狗留下的尿骚味什么的也全都有——它也能像原来的那辆一样随时急转弯，油门踩起来的感觉也不会有所不同。传送过去的车究竟是原来的那辆还是精确的副本这一问题无关紧要。如果你要求联合量子海陆货运公司将你的轿车用轮船从纽约运往伦敦，但他们却悄悄地用了超距传输的办法传送过去，那么只凭辨认的话，你永远也不会知道他们没按你的要求做——甚至连理论上的可能性都没有。

但搬运公司传送的是你的猫，或者为了满足你那独特的品位，你要求搬运公司对你本人来一次越洋传送，那又会有什么问题呢？走出接受室的猫或者人还是走进超距传输器的那只猫或那个人吗？我个人认为，是的，猫还是那只猫，人还是那个人。再次声明，我们没有任何相关数据，我或者任何其他人能做的都只是猜测。但是按我的思考方式，任何一个活着的人，只要他体内的全部原子和分子与组成我身体的原子和分子处于完全一样的量子态的话，那我就要说“他”就是我。即使“原始”的我在“拷贝”生成后仍然存在，我（我们）也会毫不犹豫地宣称每一个都是我。我们应该有同样的想法，都会发自肺腑地觉得彼此并不高于对方。思想、记忆、情感和看法这些东西建立在组成人体的分子与原子性质的基础上，要是这些基本成分具有相同的量子态的话，那么由这些基本成分构成的人也会有完全一样的意识。时光流逝，我们各自的经历将使我们彼此不同。但是我相信，从此以后将有两个我，而不是一个“真一点”的原始我加上一个“假一点”的拷贝我。

事实上，我倒愿意不那么严格地讨论一下。我们的物理组成无时无刻不在变化，只不过有的时候变得多些，有的时候变得少些，但是我们还是我们自己。哈根达斯冰激凌会使我们血液中的脂肪和糖的含量增多；MRI（磁共振）会使大脑中一些原子核的自旋方向改变；心脏移植和抽脂术自不必说，每一百万分之一秒，普通人身体中会有一万亿个原子焕然一新。我们处于连续不断的变化之中，但是我们每个人的身份并没有发生变化。所以，即使超距传输后的那个“我”与本来的我在物理态上并没有完全吻合，那个“我”和本来的我仍可能是一模一样的人。在我的书中，那个“我”完全可以成为真的我。

当然，如果你相信除了物理成分，生命还意味着很多其他的东西的存在，特别是心灵的话，那么你的超距传输的成功标准可能会比我的严格一些。人们关于这一棘手的问题——我们每个人的身份究竟在多大程度上取决于我们物理上的身体——已经以各种不同的形式争论过多年，但还是没有找到令所有人满意的答案。我认为一个人的身份只取决于其物理上的身体，而另外一些人则并不认同。总之，没有人可以宣称已经找到了终极答案。

我们姑且先不讨论你在传输人类这一假想问题上究竟持何种观点。借助于量子力学的神奇力量，科学家们已经成功地证明单个粒子可以——实际上已经实现过——超距传输。

我们一起来看看。

量子纠缠与量子传输

1997年，其时还在因斯布鲁克大学的安东·泽林格领导的一组物理学家和罗马大学的A.弗朗塞斯科·德·玛蒂尼领导的另一组物理学家分别成功地实现了光子的超距传输。在这两个实验中，处于某一特别的量子态的初始光子被成功地传送到了另一个位置，虽然这两次实验只是横跨实验室的短距离传输，但是人们有理由相信同样的过程可以在任意距离上实现。这两个实验组所使用的技术基于另一组物理学家——IBM沃森研究中心的查尔斯·本耐特，蒙特利尔大学的吉尔斯·布拉萨德、克劳德·克莱玻和理查德·约茨扎，以色列物理学家艾舍尔·帕里茨，以及威廉斯学院的威廉·伍特斯——1993年关于量子纠缠的理论探讨（参见第4章）。

回想一下，两个处于纠缠状态的粒子——比如说两个光子——有一种奇特又密切的关系。若每一个光子都有确定概率的自旋指向（向下或向上），并且每一个光子在被测量的时候都会在各种可能性中随机“选择”，那么一旦这两个光子中的某一个做出“选择”，另一个就会跟着立即做出“选择”，即便空间间隔很远也是如此。我们曾在第4章中说明了人们无法利用纠缠粒子来实现两个不同位置之间的信息超光速传输。要是我们在相隔很远的位置上分别放置纠缠光子，然后分别连续测量这些纠缠光子，那么我们就会发现每一台探测器所收集到的数据只是一些随机序列（与粒子的概率波相一致的粒子自旋指向）。只有当我们对比不同的探测器上收集到的结果时，我们才会清楚地看到这些结果惊人的一致。但要实现这种对比的话，我们必须首先通过某种常规的、低于光速的通信方式交换彼此所得到的结果。既然进行结果对比之前人们无法获知任何可以表明不同位置的光子处于量子纠缠的证据，人们实际上就没法通过量子纠缠实现超光速通信。

不过，即使纠缠现象无法用于实现超光速通信，人们还是会形成这样的感觉——粒子之间的长距离关联非比寻常，很有可能会在某些非常规的事情上起作用。1993年，本耐特及其合作者就发现了这样一种可能性，他们发现量子纠缠很有可能用于量子传输。你可能实现不了超光速通信，但如果你想要的只是低于光速的粒子传输的话，量子纠缠可能会帮上你的忙。

这一结论背后的推理巧妙曲折——尽管数学上直截了当，我们现在就来感受一下。

假设我现在要把一个光子——称为光子A——从我纽约的家中传送到我在伦敦的朋友尼古拉斯那里。简单起见，我们来看一下我如何才能够准确地传送光子A的自旋所处的量子态，也就是说，我怎样才能使尼古拉斯获得一个自旋指向概率与光子A的自旋指向概率完全相同的光子。

我不能先测量一下光子A的自旋，然后打电话告诉尼古拉斯，让他在伦敦制备一个与我观测到的光子一样的光子；因为我观测到的结果将会被我的观测本身影响，所以观测后的结果不能真实地反映观测之前光子A所处的状态。那么我能怎么做呢？本耐特及其合作者提出，第一步是把一对处于纠缠态的光子——光子B和光子C——分给我和尼古拉斯，人手一个。我们怎样获得这两个光子并不重要。我们就先假定大洋彼岸的我和尼古拉斯分别得到了这对光子中的一个，比如说我得到了光子B而尼古拉斯得到了光子C，那么要是我沿着某一给定轴测量光子B的自旋，尼古拉斯也对光子C做同样的测量的话，我们就将得到完全一样的结果。

然后第二步，根据本耐特及其合作者的步骤，并不是直接测量光子A——我想要传输的那个光子——那样明显没有什么干涉作用。我应该做的是测量光子A及纠缠光子B的联合性质。例如，根据量子力学原理，我可以在不分别测量每个光子自旋的情况下测量光子A和光子B是否关于某一垂直轴具有相同的自旋。与此类似，量子力学也允许我在不分别测量每个光子自旋的情况下测量光子A和光子B是否关于某一水平轴具有相同的自旋。虽然我无法利用这种测量得到光子A的自旋，但我却能测得光子A的自旋与光子B的自旋之间的关系，而这种关系是非常重要的信息。

远在伦敦的那个光子C与光子B处于纠缠状态，所以，一旦我知道了光子A和光子B之间的关系，我就能推求出光子A和光子C之间的关系。如果我在这个时候打电话给尼古拉斯，告诉他光子A的自旋相对于光子C的自旋是怎样的，他就能知道怎样操控光子C才可以使其量子态与光子A的量子态正确匹配。在尼古拉斯实施了必要的操作之后，他所拥有的那个光子就与光子A全无二致了。然后我们就可以宣布已经成功地传输了光子A。比如我们来看一下最简单的例子：一旦我在测量后发现光子B的自旋同光子A的自旋完全一样，那我就能推断出光子C的自旋也和光子A的自旋完全一样，于是，什么都不用做了，我们已经完成了对光子A的传输过程。光子C与我们要传输的光子A处于完全相同的量子态。

大体上就是这样。上面介绍的是大体上的想法，要想解释清楚具体操作步骤上的量子传输，我必须再讲一讲一个到目前为止还没有谈及的关键要素。当我对光子A与光子B进行联合测量的时候，我测得的是光子A的自旋相对于光子B的自旋是怎样的。但是，正如在所有的量子测量中都不可避免的那样，测量本身会对光子有影响。因此，我所测得的并不是测量之前光子A的自旋与光子B的自旋之间的关系，而是在光子A和光子B都被测量行为干扰了之后两者之间的关系。所以，乍看之下，我们似乎再次遭遇了我在刚开头讨论如何直接复制光子A时遇到的量子麻烦：测量过程导致的不可避免的干扰。好在我们还有光子C。既然光子B与光子C处于量子纠缠状态，那么我使纽约的光子B受到的干扰也会在身处伦敦的光子C的身上体现出来。这就是我们在第4章中讨论过的量子纠缠的奇妙性质。事实上，本耐特及其合作者在数学上证明了测量所导致的干扰可以通过光子B和光子C之间的纠缠显现在远方的光子C身上。

这样的结果相当有趣。通过测量，我们可以知道光子A与光子B的关系，但测量也会带来一个棘手的问题——光子A和光子B都会由于测量的介入而被干扰。但是因为有纠缠的存在，光子C被引入我们的问题中——即使相隔千里，量子纠缠也会起作用——并且可以帮助我们分离出干扰的效应，从而使我们获得在测量过程中丢失的原始信息。如果我现在再给尼古拉斯打电话告知测量的结果，他就知道了测量产生干扰后光子A的自旋和光子B的自旋之间的关系，然后，再通过光子C，他就会知道干扰本身的影响。这个时候尼古拉斯就可以利用光子C除去测量所导致的干扰效应，从而跳过量子障碍，实现光子A的复制。本耐特及其合作者详细地证明了，至多通过对光子C进行一些简单的操控（如何操控要看我在电话里告诉了尼古拉斯哪些有关光子A和光子B的关系的信息），尼古拉斯就可以用光子C及其自旋指向精确地复制出在我进行测量之前的光子A所处的量子态。而且，不但光子A的自旋可以被复制，光子A的量子态的其他性质（比如说光子A处于某一能量的概率）也可以通过类似的办法得以复制。因此，利用这个方法，我们就可以实现光子A从纽约到伦敦的超距离传输。

如你所见，量子超距传输包括两个步骤，其中的每一个都会传递重要但又互补的信息。首先，我们将要进行传输的光子和某一纠缠光子对中的一个光子合在一起进行联合测量。在测量过程中产生的干扰会由于古怪的量子非定域性而体现在另一个位于远方的纠缠光子身上。这就是第一步，超距传输过程中清楚的量子部分。在第二步中，测量结果本身会通过较为传统的方式（电话、传真、E-mail，等等）传送到远方的接收站，这个步骤可称为超距传输过程中的经典部分。将这两个步骤结合到一起，通过对位于远方的另一个纠缠光子进行某种直接操作（比如说绕某个特定轴进行旋转），我们就可以复制出与想要传送的光子具有相同的量子态的光子，从而实现超距传输。

有两个关键的量子传输性质需要注意一下。既然光子A的原始量子态已经被测量过程破坏，那么位于伦敦的光子C就成了唯一一个具有原始光子态的光子。原始光子并没有两个拷贝，所以我们不应该将这个过程称为量子传真，而应该称为量子传输。注43而且，即使我们把光子A从纽约传送到了伦敦——伦敦的那个光子已经与原始的光子A完全一致——我们还是不知道光子A的量子态。现在，伦敦的这个光子已经与在我们开始种种操作之前的那个纽约的光子A有完全一样的自旋指向概率了，但是我们并不知道这个概率究竟是多少。事实上，这正是量子传输中的绝妙之处。测量导致的干扰使我们无法获知原始光子A所处的量子态，但是按我们讲的办法，我们并不需要知道一个粒子的量子态就能传输这个粒子。我们需要知道的只是其量子态的某个方面，也就是在与光子B的联合测量中所获知的那些信息。接下来的事情就可以统统交给处于量子纠缠状态的远方光子C了。

注43：对那些熟悉量子力学体系的读者来说，这里是量子传输的关键步骤。假定我在纽约的那个光子的初始态具有如下形式：，其中为两个光子的极化态，我们再令系数正定，归一，但可取任意值。我的目标是要给尼古拉斯足够的信息以便他能在伦敦制成一个处于完全相同的量子态的光子。为了达成这一目标，尼古拉斯与我首先获得一对处于纠缠态的光子，该纠缠态，比方说，可以为，因而，三光子系统的初始态就是，当我对光子1和光子2进行贝尔态测量的时候，我就将这个态投射到下面4个态中的一个：以及。现在，如果我用粒子1和粒子2的本征态为基重新表示初始态，则有：。因而，在我测量之后，我使这个4种态叠加起来的系统“坍缩”到了其中的一种上。一旦我跟尼古拉斯通信（通过普通的办法）告知他我发现的是4种态中的哪一种，他就会知道该如何操作光子3使之被复制为初始的光子1。比方说，如果我发现测量结果是，那尼古拉斯就不需要对光子3采取任何行动，因为，如上所述，它就已经是光子1的初始态了。如果我得到的是其他结果，尼古拉斯就需要做一些适当的转动（如你所知，是根据我得到的结果进行操作），以使光子3处于需要的态上。

按照这个办法实现的量子传输取得了丰硕的成果。20世纪90年代早期，制备纠缠光子对已是标准化的程序了，但人们还没有实现对两个光子的联合测量（就是前面讲的对光子A和光子B的联合测量，术语上讲就是贝尔态测量）。泽林格和德·玛蒂尼所领导的这两个实验组的成功之处就在于独创性地发明了联合测量的实验技术并在实验室中实现了这种技术。注441997年，这两个组分别实现了目标，成为世界上最早实现单个粒子超距传输的实验组。

注44：事实上，数学比较好的读者将会注意到，证明所谓的量子不可克隆定理不算很难。假定我们有一个幺正克隆算符U，将任意态作为输入，这个算符可以输出两个同样的态（对于任意给定的，将U作用于。注意，将U作用于这样的态会得到，而这并不是原始态的双重拷贝。因而，并不存在这样一个可以用于量子克隆的算符U（伍特斯与祖莱克于20世纪80年代早期率先做出证明）。

现实中的超距传输

你、我、DeLorean以及所有的一切都是由很多个粒子构成，所以很自然的，下一步需要考虑的就应该是如何将量子超距传输应用到这样大的粒子集合上，从而使我们实现将宏观物体从此地传送到彼处。但是，从传送一个粒子过渡到传送整个宏观物体可不是那么简单的事，这中间要完成的很多任务都不在研究者们现阶段所具有的能力范围之内，本领域的很多权威人士甚至认为或许等相当长的一段时间后人们才有可能实现这样的目标。下面纯粹为了凑趣，我们可以一起来看看泽林格的梦想在未来将如何实现。

假设我要把我的DeLorean从纽约传送到伦敦。这次我和尼古拉斯需要的就不仅仅是一对纠缠光子了（那是传送一个光子时我们所需要的全部），现在，我们每人要有一间库房，里面装满了质子、中子、电子以及其他的一些粒子，这些粒子要多到足以建构起一辆DeLorean；而且，在我的库房中的所有粒子要和尼古拉斯的库房中的所有粒子处于量子纠缠状态（如图15.1所示）。我还需要一台设备用以对组成我的DeLorean的所有粒子和库房中飞来飞去的粒子来一次联合测量（就好像对光子A和光子B进行联合测量一样）。因为两个库房中的粒子存在纠缠，所以我在纽约所做的测量也会影响尼古拉斯在伦敦的库房中的粒子（就如同光子C可以反映出对光子A和光子B所做的联合测量）。然后我就打电话告诉尼古拉斯我的测量结果（这次电话注定要花掉大笔的电话费，因为我要告诉尼古拉斯的是1030个结果），这样的话，他就可以根据这些数据对他的库房中的粒子进行种种操作（就像我前面的在电话里告诉尼古拉斯如何对光子C进行操作一样）。一旦尼古拉斯完成了这些任务，在他的库房中的粒子就会和测量前的DeLorean中的粒子处于完全一样的量子态，这时，就像我们之前讨论过的那样，尼古拉斯已经有了DeLorean。这台DeLorean已经被成功地从纽约传送到了伦敦。

现在你明白了吧，以我们今天的能力，上面讲的每个量子传输步骤都不能完成。一台DeLorean差不多有千亿亿亿个粒子。虽然现在的实验学家们已经能够使多对粒子处于纠缠状态，但离使宏观物体中的粒子处于纠缠状态还相去甚远。所以，单单准备两间库房，并使其中的粒子处于纠缠状态就已经远远超越了今天的能力范围。而且，对两个光子进行联合测量都可以算作巨大的成功，可想而知，对数以百亿亿计的粒子进行联合测量在今天是超乎想象的。以我们今天的水平估计，客观地讲，要是就用我们传输单个光子时所采用的办法的话，那么实现宏观物体的超距传输将是很遥远的未来——甚至是永远不可能——的事情。

但是，考虑到科学技术领域中最常见的事情就是对不可能的超越，我必须要说，虽然宏观物体的超距传输看起来不可能实现，可是，谁知道未来会怎样呢？40年之前，企业号上的那种计算机看起来也是完全不可能的。

时间旅行之惑

毫无疑问，如果超距传输宏观物体能像打电话叫联邦快递或等地铁那么容易的话，我们的生活肯定会和现在大不一样。那种空想中才有的旅行就会成为现实。旅行或运送的概念将发生革命性的巨变，在便利性和实用性方面的飞跃将重塑人类的世界观。

即使这样，超距传输对我们的宇宙观产生的影响也无法与时间旅行可能带来的冲击相提并论。大家都明白，只要有足够的耐心和决心，我们总能从一个地方到达另一个地方，尽管有的时候只存在理论上的可能性。虽然技术上的问题会使我们的空间旅行受到一定的限制，但只要在满足这些限制的基础上，我们总可以根据自己的愿望决定去哪。但是我们能从现在去到别的什么时刻吗？我们会根据自己的生活经验毫不犹疑地回答：只有一种办法，就是等着那一时刻的到来——等着时钟一秒又一秒地走到那个要去的时刻。显然，我们能去的时刻由不得自己选择，它只能是未来的某一时刻，而不能是过去的时刻。如果要去的时刻比“现在”要早，那么根据经验，我们立即就会得出判断：这绝不可能。回到过去根本不是选项之一。与空间旅行不同，时间旅行毫不理会个人意愿。说到时间，我们只能朝着一个方向不停前进，无论愿意与否。

要是我们能像驾驭空间那样容易地驾驭时间，我们的世界观就不仅仅是发生改变了，那将会是整个人类历史上最了不得的转折点。考虑到这种不可抗拒的强大影响力，我常常会吃惊于竟然没有多少人注意到有一种时间旅行——向着未来去的旅行——的理论基础早在20世纪早期就已经诞生了。

爱因斯坦一发现狭义相对论时空的性质，就想到了飞向未来的可能性。如果你想看看一千年、一万年甚至是一千万年后地球上的景象的话，你就要看看爱因斯坦的物理定律，它会教你做到这一点。你需要建造一台速度接近光速——比方说达到光速的99.9999999996%——的飞行器。然后你就全速冲进太空，飞上一天，或者10天，甚至27年——这里说的时间指的是你在飞船上感受到的时间。之后你再扭过头来全速返回地球。那么你回来的时候，地球上已经过了一千年、一万年或者是一千万年。狭义相对论的这一预言毫无争议，并且已经在实验上得到了证实，这只是我们在第3章就讲过的速度增加会使时间变慢的一个例子。当然，建造一台速度接近光速的飞行器远远超过了当代的技术水平，所以人们根本没法检验这样一个预言。但正如我们之前讨论过的那样，研究人员已经用其他的一些例子证实了时间变慢的预言，比如说在速度远低于光速的商务飞机上就有速度变慢的情况；又比如说μ子之类的基本粒子以接近光速的速度穿过加速器时也会有时间变慢的现象（静止的μ子会在差不多两百万分之一秒的时间内衰变为其他粒子，也就是说它的寿命大概只有这么长。可μ子运动得越快，它自己的钟就会走得越慢，也就是说它的寿命也就越长）。总之我们可以找到很多使我们相信狭义相对论的正确性的理由；至于使我们怀疑狭义相对论的证据，现在还一条也没有。按狭义相对论的方法飞向未来将全如预言的那样有效。而我们之所以无法进入这样一个时代，完全是因为技术上的不足，而不是理论本身的限制。注45

注45：许多研究者，包括我在内，都相信贝尔的论证和埃斯拜科特的实验令人信服地解释了空间上相隔很远的粒子之间的可观测的关联性不能由史考莉式的论证说明（在他们的论证中，粒子的关联性源于粒子以前在一起时就具有的明确的、彼此关联的性质）。有一些人则试图避免或削弱由此而带来的、令人吃惊的非定域性结论。我并不赞成他们的怀疑，但我还是在本书最后注释部分列出了适宜于普通读者阅读的有关这些想法的读物。

当我们思考另一种时间旅行——回到过去——的可能性时，我们遇到了一些棘手的问题。当然，你很有可能非常熟悉其中的一些，比如说，回到过去阻碍自己的出生这类标准的时间旅行悖论。在很多科幻小说中，这样的事情都是通过暴力手段达到；但我们也可以采用不这样极端但同样有效的方式介入过去——比如说阻止你父母的相逢——达到影响你的出生的目的。这里的悖论很清楚：要是你根本没被生出来，那么你怎么可能存在？特别是，你又怎么能够回到过去阻止他们相逢呢？要想回到过去阻止你父母的相逢，你就首先得被生出来呀；但要是你被生出来了，并且回到了过去使你父母不能相逢，那你就不会被生出来了。我们就这样陷入了逻辑上的死循环。

再来看看另一个与此类似的悖论，这个悖论是由牛津的哲学家麦克尔·杜麦特受其同事大卫·多奇启发后提出来的，这个悖论以略有不同、可能更令人困惑的方式捉弄着我们的大脑。现在就来讲一下这个悖论的一个版本。假设我造出了一台时间机器，然后用它到了10年后的未来世界。在“请你吃豆腐”（大规模的疯牛病使人们有了心理阴影，未来的人们早就没了对汉堡包的那种热情，请你吃豆腐一举超过了麦当劳）简单地吃过午餐后，我找到了最近的网吧，想上网看看弦论研究的进展如何。我感到非常惊喜。我发现弦论中所有的未解之谜全部告破。弦论已经被完全研究清楚了，并且已经被成功地用于解释所有已知的粒子性质。人们已经找到了额外维度的确切证据；弦论所预言的超对称粒子——它们的质量、电荷等的性质——已经在大型强子对撞机上全部得到验证。人们再也不需要有所怀疑了：弦论就是宇宙的统一理论。

我进一步探查，看看到底是谁做出了这样重大的贡献，结果我大吃一惊。突破性的论文发表于一年之前，作者是丽塔·格林，我妈妈！我太吃惊了。我并没有不敬的意思：我妈妈人非常好，但她不是一位科学家，也不明白为什么有些人愿意成为科学家。而且，我把我的上一本科普书《宇宙的琴弦》拿给她看，她才翻了几页就扔在一边，因为她一看这些书就头疼。所以，她怎么能写出弦论的那篇关键性论文呢？我在网上读了她的那篇论文，完全折服于文中简单而深刻的推理。在文章末尾的致谢中，她提到在托尼·罗宾斯研讨会上我让她克服恐惧追寻自己内心深处的物理学家梦想，并对我自那以后多年来在数学和物理方面的细心指导表示感谢。啊！我明白了。原来她也参加了在我启程来往未来之前的那次研讨会。我看我最好回到那个时候再来给些指导。

于是，我又回到了那个时候，开始指导我妈妈学习弦论。可惜进展并不顺利。一年过去了，两年过去了，虽然我妈妈在很努力地学习，可她还是不得要领。我开始变得担忧起来。我们又付出了几年，收效还是甚微。这时，我真的担忧起来了。离她的论文预计发表时间已所剩无几。她到底是怎样写出那篇论文的？最后，我做了一个重大决定。当我在未来读到她的文章的时候，我留下了非常深刻的印象，始终都没有忘记。所以，与其让她自己做出发现——看似越来越不可能了——还不如我来告诉她究竟该怎么写，这样才能确保把我记忆中的那篇论文的每一点都囊括进去。她发表了那篇论文。很快，整个物理世界沸腾起来了。我在我的未来世界读到的每一件事都发生了。

但是这里有一个问题。到底谁应该获得我妈妈的那篇奠基性论文所带来的荣誉？这个人显然不能是我。因为我是通过读她的论文才学到那些理论的。可又怎么能是我妈妈呢？她所写出来的一切都是我告诉她的呀。当然，这里问题的关键并不是谁应该获得荣誉，而是新的知识、新的见解、发表在我妈妈的论文中的新思想到底是哪来的？我到底能指着谁说“就是这个人或这台计算机得出了新的结论”呢？我没有这种洞察力，我妈妈也没有，而且在这里也没有其他人什么事，我们甚至连计算机都没用过。但是，那些精彩的理论不知如何全都出现在她的论文中。很明显，在一个允许既向过去又向未来的时间旅行的世界里，知识会凭空产生。或许这个问题不像阻止你出生那个问题那么令人费解，不过也够古怪的了。

我们到底该如何对待这些悖论和古怪的事呢？我们是否能够得出这样的结论：朝向未来的时间旅行是由物理定律保证的，朝向过去的时间旅行必须得丢掉？有些人可能会这么认为。但是，我们即将看到，我们总归有办法应对这些讨厌的问题。但这并不意味着我们有可能通过时间旅行回到过去——那是我们很快就要讨论到的另一个问题——而是意味着朝向过去的时间旅行至少不会被我们刚刚讨论过的这些问题排除掉。

反思谜题

回想第5章，我们曾从经典物理的角度出发讨论过时间的流动，并得到了一幅与直观印象全然不同的物体图像。一路谨慎地探求使我们形成这样的看法：时空就像一块冰，时空中的每一个时刻都永远地冻结在那里。这与人们通常的看法——时间就像河流一样，带着我们从一个时刻流向下一个时刻——截然相反。这些冻结的时刻按不同运动状态中的不同观测者的不同方式汇聚成了现在，汇聚成了同一时刻发生的事件。时空块可以被切成不同的“现在”的概念，为了更好地体会这一点，我们也将时空比喻成一块可以从不同的角度切片的面包条。

但要是先把各种比喻放在一边，第5章告诉我们的是：时刻——组成每一块时空条的事件——就是时刻。时刻是永恒的。所有的时刻——每一个事件——都将永远存在，就像空间中的每一个点都永远存在一样。时刻并不是一被观测者的“聚光灯”照亮就活灵活现起来，那样的物理图像虽然符合我们的直觉，但经不住逻辑分析。真实的情况是，时刻一旦被照亮，便会永远都被照亮。时刻不会改变，时刻永远都是那样。被照亮只是组成时刻的多个不会改变的性质中的一个。从图5.1中，我们可以很清楚地看出这一点。在图5.1中，我们可以看到组成宇宙历史的所有事件，它们全都静止不变地待在那里。关于同一时刻到底发生了什么事件，不同的观测者有不同的结论——因为观测者们从不同的角度切削时空片——但是所有的时间片及其组成事件却是普适的。

量子力学对时间的经典物理图像做了一定的修改。比如说，我们在第12章中曾经看到，在极小的尺度上，空间和时空将不可避免地变得崎岖起伏。但是（参见第7章），要想完全利用量子力学来讨论有关时间的问题必须首先解决量子力学的测量问题。解决之道有很多，其中之一——所谓的多世界诠释——特别适合用来讨论由时间旅行引出的矛盾，我们会在下一节中进行有关内容的讨论。在本节中，我们先停留在经典物理的层次，用时空的冰块、面包条比喻来讨论有关问题。

假设你已经成功地回到了过去，并且阻止了你父母的邂逅。直觉上好像我们都知道那意味着什么：在你回到过去之前，你的父母相遇了——比如说，在1965年12月31日午夜钟响的时候，他们相逢于纽约的晚会——然后又及时地生下了你；又过了许多年，你决定回到过去——1965年12月31日，也就是在这个时候，你改变了一切，使你的父母没有办法相逢，于是你妈妈也就没办法生下你。在前面我们曾经提到，对时间更为合理的描述是所谓的“时空片描述”，现在我们就用时空片描述来看看前面的“直觉式描述”到底有哪些问题。

本质上讲，直觉式描述之所以不正确就是因为假定了时刻可以变化。根据直觉式描述，1965年12月31日午夜钟响的时刻（采用了标准的世俗时间片）“起初”是你父母相逢的时刻，“后来”，由于你的介入，1965年12月31日午夜钟响的那一刻，你父母相隔几千米，甚至根本不在同一个大陆上。这种叙述事件的方式的问题在于把时刻看成是可以变化的了，但我们已经知道，时刻是不变的，它们就只能是本来的那个样子。时空片应当是一种稳固不变的存在。一个时刻根本不可能“起初”一个样，“后来”又一个样。

如果你真的用时间机器回到了1965年12月31日，那你就会出现在那里，你过去一直在那里，将来也一直在那里，你永远都不可能不在那里。不会有两次1965年12月31日——一次你不在那里，一次你又在那里。在图5.1中，你静止不变地存在于时空片中各种不同位置处。如果你今天决定乘坐时间机器回到1965年12月31日晚间11点50分，那么这个时刻就会出现在那些能找到你的时空片中。你于1965年新年前夜在纽约的露面将是时空永恒不变的性质。

这样一种认识仍会使我们得到一些离奇的结论，但不会再有悖论了。比如说，你会出现在1965年12月31日晚间11点50分的时空片中，但是在那之前的时空片中完全没有你的任何记录。这虽然非常奇怪，却并没带来任何悖论。如果有个家伙看到你在11点50分突然出现，他可能会吓坏了，但要是他问你是哪来的，你就可以非常酷地回答：“未来。”至少到目前为止，我们还没在这样的场景中发现任何逻辑上的矛盾。当然，更加值得关注的是：你开始执行任务，阻止你父母相遇，这时又会发生些什么呢？要是非得坚持“时空块”观点的话，那么我们就只能这样回答：你肯定无法成功。不管你在新年前夜做些什么，你都终将失败。想要阻止你父母相逢——虽然看似并不难——在逻辑上是绝对行不通的。你父母肯定会在午夜时分相逢。你不会消失，你在那里，你“一直”都将在那里。每个时刻都存在，全都不会发生改变。将变化这一概念用在时刻身上绝对是对牛弹琴。你父母在1965年12月31日午夜钟声响起的时候相逢于纽约，没有任何事情会改变这一事件，因为这一事件是永恒不变的事件，它在时空中永远有一席之地。

事实上，现在你再想想，回忆起童年的时候你曾经问过你的父亲他是怎样向你妈妈求婚的，你还记得他说他根本毫无准备。他在求婚前几乎从没见过你妈妈。但就在新年前夕纽约的一个晚会上，他看到一个男子——竟然宣称自己来自未来——不知道从什么地方突然冒了出来，这可把他吓坏了，简直不知所措，以至于一见到你妈妈他就昏头昏脑地决定求婚了。当时就是这样。

关键之处在于时空中全部的不变的事件必须能合成连续的自洽的统一整体，这样的宇宙才有意义。你乘时间机器回到1965年12月31日这件事，根本就是你在履行自己的命运。有一个人突然出现在1965年12月31日晚间11点50分的时空片中，而在之前的时空片中并没有这个人。要是假想我们身在图5.1之外，我们就会直观地看到这一切，我们也会看到那个出现在1965年12月31日晚间11点50分的时空片中的人就是现在年龄的你。要想使这些几十年前的时空片有意义，你就必须回到1965年。而且，我们这些“世外”之人还看到你父亲在1965年12月31日晚间11点50分战战兢兢地问了你个问题，然后就跑开了，接着在午夜时分遇到了你妈妈；再跳过几张时空片，我们看到你父母结婚了，又过不久你出生了，你慢慢长大了，然后有一天，你进了时间机器。如果真的有可能进行时间旅行的话，我们就再也不可能单单用更早时刻的事件就可以解释某一时刻的事件了（无论从谁的角度看都是如此）。但是，要是把全部的事件放在一起考虑的话，我们就会有一个合理的、连续的、毫无矛盾的故事了。

正如我们在前面一节强调过的那样，无论怎样发挥想象力，这也绝不意味着我们有可能通过时间旅行回到过去。但是上面的分析很清楚地告诉我们，那些所谓的悖论，比如说阻止自己的出生等，根本就是逻辑不清的产物。即使你能乘时间机器回到过去，你也什么都改变不了，就像无论怎样你也不能让π不是3.1415926……一样。如果你真的回到了过去，那你就是，并且永远都是过去的一部分，而这个过去与使你旅行到这里来的过去别无二致。

置身于图5.1之外的话，这种解释严谨又条理分明。纵览整个时空片，我们看到的是环环相扣、井然有序的宇宙连字谜。但是，在1965年12月31日的你看来，一切都那么令人困惑。我在前面的分析中说明，无论你费多大的劲，你都不可能用经典物理的办法阻止你父母的邂逅。你可以眼睁睁地看着他们相遇。你甚至可以为他们的邂逅安排机会；当然，你安排的邂逅可以不用像我在前面随随便便讲的那样。你可以一再地回到过去，过去可能有很多个你，每一个你都想阻止你父母的相逢。但要想成功地阻止你父母邂逅就必须改变一些东西，而这些东西会使“改变”这一概念失去意义。

但是，即使我们有了这些抽象的思考，我们也会忍不住问这样的问题：你为什么成功不了？如果你就在晚间11点50分的晚会现场，看到了你年轻时代的妈妈，到底是什么使你没法把她带走？又或者说，你看到了你年轻时代的父亲，但究竟是什么使你不能——这么说实在大不敬，但还是说了吧——给他来一家伙？难道你没有自由的意志了吗？从这里开始，量子力学就要登场了。

自由意志，多重世界，时间旅行

自由意志，即使不给时间旅行增加新的麻烦，也是个很棘手的问题。经典物理学定律带有确定性。正如我们在前面的章节中看到的那样，如果你既能准确地知道现在这个时刻事物是怎样的，又能洞悉全部经典物理学定律的话，那你就能准确地说出在任意给定时刻——无论是过去的某一时刻还是未来的某一时刻——事物是怎样的。这样的方程与假定存在的个人的自由意志毫无关系。所以，有些人就会根据这一点得出这样的结论：在经典宇宙中，自由不过是假象而已。你是由粒子组成的，如果物理定律可以确定任意时刻你的粒子的一切——这些粒子都在哪，它们都是如何运动的，等等——那你决定自己行动的意志力就完全可以推算出来。我相信这样的说法，但是有些人——他们认为人类不只是粒子的总和——并不以为然。

无论怎样，这些想法都没什么实际价值，因为我们所生活在其中的这个宇宙遵循的是量子物理，而不是经典物理。在量子世界中，真实世界的物理，虽然跟经典物理所描述的世界有些相似之处，但是还有些重要的区别。正如你在第7章中学到的那样，如果你知道了此时此刻整个宇宙中所有粒子的量子波函数，那么薛定谔方程就会告诉你你所感兴趣的任意时刻的波函数。量子物理在这一点上的确具有经典物理的那种确定性。但是，观测会给量子力学的故事增添很多新的篇章，正如我们所见，有关量子测量问题的热烈争论仍然未熄。如果有那么一天，物理学家们最终认定薛定谔方程就是量子力学的一切，那么整个量子物理，就会具有同经典物理一模一样的确定性。有了经典物理的确定性，有些人就可以说自由意志不过是假象；而有些人会不同意。但是如果现在的我们错过了量子力学的部分故事——如果从概率性到确定性的结果还需要某些超出标准量子体系的东西——那么自由意志至少有可能在物理定律中找到一个具体的实现。可能真像某些物理学家推断的那样，在未来的某一天，人类会发现有意识的观测行为是量子力学不可或缺的一个元素，是从量子迷雾中提取结果的催化剂。就我个人而言，我觉得这极其不可能，但是我找不到证明它不对的办法。

现在的局面是自由意识的地位及其在基本物理定律中扮演的角色仍不清楚。所以我们接下来就分别分析一下这两种情况——自由意识本就是一种假象；自由意识其实是真实的。

如果自由意识本是假象，并且我们有可能通过时间旅行回到过去的话，那么你无法阻止你父母相逢这件事就没什么好奇怪的了。尽管你感觉你可以掌控自己的行为，但其实不能，真正在背后起作用的是物理定律。当你想过去把你妈妈带走，或者给你父亲来一枪的时候，物理定律就会起阻碍作用。时间机器可能会在错误的地点着陆，使得你到达的时候他们都已经相会了；也有可能在你扣动扳机的时候，枪却卡住了；还有可能你虽然射出了子弹，却打歪了，直接把你父亲的情敌打中了，反而为你父亲扫清了障碍；再还有这样的可能：当你走出时间机器的时候，你再也没有阻止他们相逢的想法了。不管在你走进时间机器时你在想些什么，你走出时间机器时的行为只能是和谐一致的时空故事中的一部分。物理定律绝不允许任何有违逻辑的行为。你做的一切都会很好地符合逻辑，现在如此，以后也将一直如此。你改变不了那些不可改变的事实。

如果自由意识不是假象，并且我们有可能通过时间旅行回到过去的话，量子物理就会给出与经典物理完全不同的说法。大卫·多奇所倡导的另一种非常吸引人的说法使用了量子力学的多世界诠释。还记得我们在第7章中提到过的多世界诠释吗？在这个理论框架下，包含在波函数中的每一种可能结果——粒子各种可能的自旋指向或者粒子可能出现的位置——都会分别出现在各自的平行宇宙中。我们所看到的任意给定时刻的宇宙都只是量子力学所允许的无限种可能演化中的一种。这个理论体系引人注意的一点在于它所提出的解释：我们觉得自己可以自由地选择做这做那，而这一点反映的是我们在接下来的时刻进入或这或那的平行宇宙的可能性。当然，既然在平行宇宙中你我都有无数个拷贝，那么我们就有必要在这个宽泛的框架下解释一下个人身份与意志的概念了。

就时间旅行和可能的悖论，多世界诠释提出了一种新颖的解决办法。你返回1965年12月31日晚上11：50，拿出你的枪，瞄准你的父亲，扣动扳机。枪响了，你击中了目标。但是这件事情并没有发生在你登上时间机器的那个平行宇宙，所以你的旅行并不是一趟时间旅行，而是从一个平行宇宙来到另一个平行宇宙的旅行。在你扣动扳机击中目标的这个平行宇宙中，你的父母没法相遇——在这样一个宇宙中，多世界诠释保证了我们的存在（因为符合量子力学的所有可能的宇宙都会存在）。所以，根据这样的说法，就没什么悖论存在了，因为每个给定时刻都会有位于不同平行宇宙中的各种不同的版本；根据多世界诠释，时空片会有无穷多个，而不是唯一的一个。在原来的宇宙中，你的父母相逢于1965年12月31日，后来你出生了，长大了，不知怎地就和你父亲的关系变得恶劣了，你着迷于时间旅行，开始了你去往1965年12月31日的时间之旅。而在你所到达的那个宇宙中，你父亲被刺于1965年12月31日晚上，那个时候他还没有遇到你妈妈，刺杀他的凶手宣称自己是他未来的儿子。你在这个宇宙中的版本永远都不会被生出来，不过没关系，那个扣动扳机的你的确是有父母的。只不过他们生活在另一个平行宇宙中。至于这个宇宙中的人们是相信你的故事还是把你看成妄想症患者，那我就不知道了。但可以肯定的是，在每一个宇宙中——你离开的那个宇宙以及你来到的这个宇宙——人们都会讨厌自相矛盾的事情。

而且，即使按照现在这种宽泛的说法，你的时间旅行也不会改变过去。对于你离开的那个宇宙，这一点很明显，因为你回到的根本就不是它的过去。至于你去往的那个宇宙，你在1965年12月31日晚上11：50出现也没有改变那个时刻：因为你的确并且永远都会在那个时刻出现在那个宇宙。于是我们再一次看到，根据多世界诠释，在每一个平行宇宙中发生的事件都是物理上自洽的事件。在你到达的那个宇宙中，的确根据你的心意发生了谋杀事件。你在1965年12月31日晚上11：50的露面，以及你所造下的一切罪孽，都是那个宇宙永远不可抹去的真实之一。

多世界诠释也会对那些不知道从哪突然冒出来的知识——比如我妈妈写出来的那篇弦论方面的发轫之作——给予类似的解释。按照多世界诠释的说法，在无数平行宇宙中的一个中，我妈妈的确迅速成了弦论方面的专家，我所看到的那篇弦论论文全都是她一个人写出来的。当我决定飞往未来的时候，我的时间机器恰好把我带到了那个她写出了论文的宇宙。我在我妈妈的那篇论文中读到的结果事实上是她在那个宇宙中的版本首先发现的。然后我回到了我的时代，我妈妈在这个平行宇宙中的版本实在是没办法理解物理学了。在多年教而未果的情况下，我选择了放弃，然后告诉她怎样写出那篇论文来。于是我们看到，在这个解释里丝毫没有“理论的关键性突破究竟是谁做出来的”这种困惑。真正的理论发现者是我妈妈在另一个宇宙中的版本，在那个宇宙中的“她”是一个物理学天才。而我的几次时间旅行带来的结果就是将那个宇宙中的我妈妈做出来的发现带给了另一个平行宇宙中的我妈妈。如果你觉得平行宇宙这种解释要比找不到文章作者这件事——极具争议性的命题——好理解的话，那你就为知识和时间旅行的相互影响找到了一个稍好些的解释。

我们在这节或前一节中讨论过的这几种方案都不一定是对时间旅行所带来的悖论的真正解释。这些解释方案告诉我们的是，回到过去的时间旅行并不会因为这样的悖论就被排除掉。即使以我们现在的理解力，物理学家们也能找到很多方法来规避掉这些悖论。但是，没有排除掉远不等于承认它的可行性。所以，我们现在来问几个主要的问题。

时间旅行能回到过去吗

大部分清醒的物理学家都会回答不可能。我也会说不可能。但是这个不可能并不同于有些问题的不可能，比如说，狭义相对论会允许一个有质量的物体达到并且超过光速吗？又或者麦克斯韦理论会允许带一个电荷的粒子分解成总共带两个电荷的几个粒子吗？对于这些问题，我们会毫不犹疑地回答你，不可能，这种不可能是经过实践检验的。

事实上，没人能够证明物理定律已经将回到过去的时间旅行排除掉了。正相反，倒是有几个物理学家列出了几条建造时间机器的理论方法。要是你拥有无限的技术能力，可以任意地运用已知的物理学定律，那么你就有可能建造出一台时间机器（我们所说的时间机器指的是既能飞往未来也能回到过去的时间机器）。我们这里说到的时间机器可不是H.G.威尔斯所描述的那个旋转式的小发明或布朗博士那台加大马力的DeLorean。而且所有的设计元素都刚好和已知的物理定律擦边，这就使很多研究人员猜想，等到我们对大自然规律的认识再进步一点，现有的和未来的时间机器方案可能就不仅仅是纸上谈兵了。但就今天而言，这种猜测仅仅基于一种感觉和一些间接证据，没有实际的根据。

至于爱因斯坦本人，在正式发表广义相对论之前的那十几年高强度研究过程中，他也曾经思考过通过时间旅行回到过去的可能性。坦白地讲，他要是没想过这些可能性那才奇怪呢。因为他对空间和时间激进的诠释摒弃了长久以来的教条，人们自然会不断地问：这场巨变还能持续多久？人们熟知的、来自日常经验的、纯直觉式的时间性质中还有哪些能够幸存下来？但爱因斯坦之所以没在时间旅行这个问题上发表什么文章是因为他单凭自己并没能做出什么有价值的东西。但在他的广义相对论的文章发表后的10多年间，另一些物理学家慢慢地做出了点东西。

广义相对论的早期论文中有几篇与时间机器有关，包括苏格兰物理学家W.J.范·斯托克姆写于1937年的一篇论文和爱因斯坦在高等研究院的同事科特·哥德尔于1949年所著的另一篇论文。范·斯托克姆研究了广义相对论中的一个假象问题——一个高密度的无限长圆柱体绕着它自身的无限长轴做旋转运动的有关问题。范·斯托克姆对这个并非物理上真实的无限长的圆柱体进行了一番研究，得出了一些有意思的东西。我们在第14章中曾经看到，有质量的旋转体将曳引空间做漩涡状的旋动。在范·斯托克姆所考虑的情况中，这种旋动如此巨大，以至于我们可以根据数学上的分析发现，被拉进漩涡之中的并不只有空间，还有时间。简单地讲，旋动使得圆柱体周围的时间方向发生扭曲，所以绕着圆柱体的圆周运动可以把你带回过去。如果你的火箭绕着圆柱体飞行，那么你就能够返回到你开始这趟旅行之前的那个时刻。当然，没人能够造出一个无限长的圆柱体。但是这篇论文作为早期的一篇暗示广义相对论并不会排除回到过去的时间旅行的论文，其价值不可磨灭。

哥德尔在他的论文中讨论的也是一种与旋转物体有关的情况。但哥德尔所关注的并不是在空间中旋转的物体，他感兴趣的是在整个空间都在旋转的情况下会发生些什么。马赫可能会认为这毫无意义。如果整个宇宙都在旋转，那么我们就找不到一个旋转运动可以参照的物体。所以按照马赫的观点，一个旋转的宇宙与一个静止的宇宙毫无区别。而这正是马赫的空间关系概念中另一个没能被广义相对论肯定的例子。根据广义相对论，谈论整个宇宙的旋转是有意义的，而且这种可能性会带来简单的可观测结果。比如说，如果你在旋转的宇宙中射出一束激光，那么广义相对论就会告诉你这束激光将按弯曲路径而不是直线路径射出（你要是骑在旋转木马上，然后用手中的玩具枪向上射出子弹，那么这颗子弹的路径就有点像我们所讨论的这束激光的路径）。哥德尔的分析之所以令人惊奇在于他认识到：如果你的火箭在旋转的宇宙中按照某一适当的轨迹运行，那你就有可能在你出发之前回到火箭升空之处。因而，旋转的宇宙本身就是一台时间机器。

爱因斯坦对哥德尔的发现表示了祝贺，但也同时提出进一步的探索可能会表明那些使得广义相对论方程允许时间旅行回到过去的解会与其他基本的物理要求相矛盾，从而使其失去物理上的意义，变成纯粹的数学意外。至于哥德尔的解，近来精确的实验观测已将其直接现实意义减小到最低的程度，因为观测结果表明我们的宇宙并没处于旋转之中。但是范·斯托克姆和哥德尔的工作放出了瓶中的妖精；之后的几十年间，人们发现了更多使爱因斯坦方程允许向过去时间旅行的解。

近些年来，人们对设计假想中的时间机器的兴趣又浓厚起来了。20世纪70年代，弗兰克·蒂普勒重新分析并且精炼了范·斯托克姆所提出来的解决方案；而1991年，普林斯顿大学的理查德·哥特发现了另一种建造时间机器的方法，他的方法利用了所谓的宇宙弦（假想中早期宇宙所残留下来的无限长、灯丝似的东西）。这些贡献都非常重要，但最容易讲清楚的是由基普·索恩及其在加利福尼亚理工学院的学生们提出来的一种方案——有关的概念我们曾在早前的章节中有所讨论。索恩他们利用的是虫洞。

虫洞时间机器的蓝图

我在这里先把建造一台索恩所构想的虫洞时间机器的基本步骤列在这里，在下一节中我们将详细讨论索恩雇佣的承建商将会遇到哪些问题。

虫洞是假想的空间通道。虫洞类似于穿山而过的隧道，那种穿山而过的隧道可以缩短两个不同位置之间的距离（没有它的话你就只好翻过山才能到另一个位置）。虫洞所起的作用就类似于此，但它同传统意义上的隧道有一个重要的区别。传统意义上的隧道是在已经存在的山体上凿出来的——没有隧道的时候，山和山所盘踞的地方就已经在那里了——而虫洞则是沿着一条全新的、之前并不存在的空间管构建出一条连接空间中两个不同位置的通道。即使你把穿山而过的隧道废掉，那里的空间仍然存在。但你要把虫洞移除的话，它原本所占据的空间就消失了。

图15.2（a）中所示意的就是连接Kwik—E—Mart和斯普林菲尔德核电站的虫洞，当然这种画法有些误导之处，因为虫洞画成了横跨斯普林菲尔德小镇的样子。更准确一点的话，虫洞应该被想成是一个全新的空间区域，并且这个区域只在其端点——或者说端口——才与我们熟悉的普通空间相交。你要是以为只在斯普林菲尔德大街上走走，抬头看看天就能找到虫洞的话，那你就大错特错了。看到这个虫洞的唯一方法是走进Kwik—E—Mart，在店里你会发现平常的空间中开着一个洞——一个虫洞的端口。往洞里看去，你会看到核电站的内部，也就是图15.2（b）中的第二个端口的位置。图15.2（a）中另一个容易被误解之处在于虫洞看起来似乎并不是一条捷径。将图15.2稍稍改动一下变成图15.3的样子，这个问题就解决了。如你所见，通过常规的路径从，Kwik—E—Mart到核电站的确是比通过虫洞要远些。图15.3之所以会画得扭曲完全是因为我们很难在平面上画出广义相对论几何，但即使画成这样，这张图也会给我们带来一些虫洞的直观感受。

没有人知道虫洞是否真的存在，但是早在很多年前物理学家们就证明了虫洞是广义相对论的数学所允许的内容，当作游戏搞搞相关理论研究是完全没有问题的。20世纪50年代，约翰·惠勒及其合作者成为虫洞研究方面的先锋人物，他们一道发现了虫洞的很多基本数学性质。到了近一些的时候，索恩及其同事发现虫洞不仅仅是空间上的捷径，也可以是时间上的捷径，从而使虫洞研究领域空前繁荣起来。

现在我们来看看索恩的想法。想象这样一幅场景：巴特和莉莎分别站在斯普林菲尔德虫洞的两端——巴特在Kwik—E—Mart这端，而莉莎在核电站那端——懒散地聊着给霍默准备什么样的生日礼物，巴特准备来一趟跨星系的短程旅行（给霍默带点他喜欢的仙女座炸鱼条回来）。莉莎本来对这趟行程不感兴趣，但是考虑到她自己一直很想看看仙女座，所以她就劝说巴特把他那边的端口挂到飞船上，这样她就可以看看仙女座的样子。你或许会认为要是巴特把端口挂到飞船上一起走的话，虫洞就会被抻长，但这是在假定虫洞是普通空间才会有的情况。其实不然。如图15.4所示，由于奇妙的广义相对论几何，虫洞的长度会在整个行程中保持不变。这一点非常关键。即使巴特的飞船飞往仙女座，他与莉莎之间的虫洞的长度也不会发生变化。而这就使虫洞作为捷径的角色更加明显了。

为明确起见，我们姑且假定巴特的飞船以99.999999999999999999%光速的速度飞行了4个小时才到达仙女座，在这个过程中他与莉莎一直通过虫洞聊天，就像起飞之前那样。当飞船到达仙女座的时候，莉莎让巴特停下来以便她能清楚地看一看仙女座的风景。但是巴特觉得应该赶快叫上一份外卖炸鱼条，然后掉头返航。虽然莉莎对这么快就返航感觉很气恼，但还是同意继续和巴特聊天。4个小时再加几把五子棋后，巴特安全地降落在斯普林菲尔德高中。

当他从舷窗中望出去的时候，巴特一下子呆住了。那些建筑看起来完全不一样了，滚球场上空漂浮的计分板显示现在已经是他离开之后差不多600万年的时候了。“嘿，哥们，怎么回事！？”他对自己说道，过了一会，一切都搞清楚了。他记起最近通过心连心的方法从杂耍鲍勃那里学到的狭义相对论：你运动得越快，你的钟就会变得越慢。如果你乘坐高速宇宙飞船出去遛一圈然后回来，那么你飞船上的时间可能仅仅过了几个小时的光景，但是外面的世界已经过了成千上万年。快速地计算后巴特确认，以他航行的速度来看，飞船上的8小时意味着外面世界的600万年。计分板上的时间是正确的，巴特认识到他已经来到了未来的地球。

“……巴特！你在哪？巴特！”莉莎从虫洞里喊道，“你能听到我说话吗？加快油门，我想按时回家吃饭。”巴特看了看虫洞的端口，告诉莉莎他已经降落在斯普林菲尔德高中的草坪上了。从虫洞中仔细地看了看后，莉莎发现巴特没说谎，但从Kwik—E—Mart往斯普林菲尔德高中的方向望过去，莉莎没能发现飞船的影子。“我糊涂了。”她说。

“实际上，这很好理解，”巴特得意洋洋地回答道，“我的确是降落在了斯普林菲尔德高中，只不过是600万年后的斯普林菲尔德高中。你从Kwik—E—Mart的窗户看不到我，因为你虽然看对了地方，但没看对时间，你早了600万年。”

“对了，没错，狭义相对论的时间延迟效应，”莉莎赞同道，“很酷。但不管怎么说，我想按时回家吃饭，所以快爬过虫洞，我们得快点。”“好的。”巴特应道，然后爬出了虫洞。他在阿普那儿买了黄油棒，然后就和莉莎回家了。

注意，虽然巴特一会儿就穿过了虫洞，但这却意味着他穿过了整整600万年。巴特与他的飞船还有虫洞的端口降落在600万年后的未来。他只需要走出飞船，同人们谈上几句，看看报纸，就会确认这一切都是真的。但是，一旦他爬出虫洞，就会又回到现在和莉莎在一起了。任何一个像巴特一样穿过虫洞的人也都有同样的遭遇：他也将穿越600万年的时间。与此类似，任何人从位于Kwik—E—Mart的虫洞端口爬进去都会来到巴特飞船降落的600万年后。这里的关键之处在于巴特并不是仅带着虫洞的端口穿越空间。他的这趟旅行也使虫洞的端口穿越了时间。巴特的旅程把他自己和虫洞的端口带到了未来的地球。简而言之，巴特将一条空间隧道变成了一条时间隧道，他将一个虫洞变成了时间机器。

图15.5是这个过程的一张粗略示意图。在图15.5（a）中，我们可以看到一个虫洞将空间中的两个位置联系起来了，之所以这样画虫洞是为了使之区别于普通空间。在图15.5（b）中，我们展示了这个虫洞的演化，这里假定了虫洞的两个端口全部处于静止状态（时间片为静止观测者的时间片）。在图15.5（c）中，我们展示了当虫洞的一个端口被挂在往返行程的飞船上时的情况。对于运动的虫洞端口来说，它的时间就像运动的钟的时间一样会变慢，所以运动的端口被传送到了未来（如果运动的钟仅仅过了1个小时，而静止的钟却过了千年的话，运动的钟就来到了静止的钟的未来）。因而，静止的虫洞端口连接的并不是同一时间片的端口，它通过虫洞连接的是未来时间片的端口，如图15.5（c）所示。除非虫洞的端口又运动了，否则的话两个端口之间的时间差就会一直存在。任意时刻，只要你从一个端口进去再从另外一个端口出来，你就成了时间旅行者。

建造一台虫洞时间机器

现在，我们已经搞清楚了建造一台时间机器需要有哪几步。第一步：找到或者干脆创造一个虫洞，这个虫洞要宽到能把你或者你想通过时间机器传送的东西放进去的程度。第二步：使得虫洞的两个端口之间存在时间差——也就是说，使一个端口相对于另一个端口运动。理论上讲，这就行了。

但在实践中能行吗？正如我在开始时提到的，人们甚至不知道是不是真的有虫洞存在。有些物理学家说在空间结构的微观层次上存在很多微小的虫洞，这些小虫洞产生于引力场的量子涨落。如果是这样的话，那么我们面临的挑战就是如何将它们放大到宏观尺度。至于究竟应该怎么达到这种效果，人们已经提出了一些建议，不过那些方案都非常晦涩，不在有趣的理论妙想范围内。而另一些物理学家则将制造宏观虫洞当作广义相对论应用方面的工程项目。我们知道空间反映的是物质和能量分布，所以，只要能很好地控制物质和能量，我们就有可能使某块空间区域变成虫洞。这种方法还有另外一个难点，正如我们非得在山上撕开一个口子才能建造穿山隧道一样，我们也必须在空间结构中撕开一个口子才能给虫洞找一个端口。没人知道物理定律是否允许我们这么干。我在弦论方面的工作（参见第13章“膜”小节）表明，某些类型的空间撕裂是没问题的，但我们到目前为止还不清楚这样一些缝隙是否与制造虫洞有关。即使按最好的情况来看，获得宏观虫洞的想法也是一个非常长的时期内才有可能实现的梦想。

而且，就算我们想出了什么办法得到了宏观虫洞，事情也没完，我们还要面临一大堆的困难。首先，早在20世纪60年代，惠勒和罗伯特·弗勒就曾利用广义相对论方程证明，虫洞是不稳定的。虫洞壁会一瞬间就向内塌陷，这就使得我们没法用它做任何旅行。但是后来，物理学家们（索恩、莫里斯以及马特·维瑟）又发现了绕过塌陷问题的可能途径。如果虫洞不是空的，而是含有具有外推力的物质——所谓的奇异物质（exotic matter），那么虫洞就有可能持续开放并且稳定。虽然奇异物质的效应有点类似于宇宙常数，但奇异物质生成外推的排斥性万有引力纯粹是由于具有负能（而不是宇宙常数的负压特征）。在某些非常特别的情况下，量子力学会允许负能量的存在，但生产足够多的奇异物质来维持宏观虫洞的开放显然是一项巨大的挑战（比如说，维瑟曾经计算过，要想打开1米宽的虫洞，所需要的负能差不多等于太阳在过去100亿年间产生的总能量）。

其次，即使我们通过什么方法找到或者制造出了宏观虫洞，并且有办法支撑洞壁使之不坍缩，还使两个端口之间有了一定的时间差（比如说，让其中的一个端口绕另一个端口高速飞行），要想得到一台时间机器也还得克服另外一些困难。包括霍金在内的几位物理学家提出了新的可能性。他们指出，真空涨落——由于各种场的量子不确定性而带来的涨落，如我们在第12章中讨论过的那样，即使对于平坦空间，这种涨落也是存在的——可能会在虫洞变成时间机器的时候摧毁它。其原因在于就在穿越虫洞的时间旅行变得可行时，一种可怕的反馈机制——就像有的时候我们拿的麦克风与音箱的位置不合适而产生刺耳的啸叫——可能开始起作用。未来的真空涨落可能也会穿过虫洞而回到过去，而回到了过去的真空涨落可能也会顺着普通的空间和时间而来到未来，再次进入虫洞，再次回到过去，如此循环往复，使虫洞中出现一直增加的能量。推测起来，这样的能量可能会毁灭虫洞。理论研究表明这是一种真正的可能性，但真要实际计算又需要我们理解弯曲时空中的广义相对论和量子力学，因此，这一问题尚未有定论。

显然，建造一台虫洞时间机器将面临巨大的挑战。但是我们还不能下定论究竟是能还是不能，除非我们对量子力学和引力的理解更上一层楼，而这种提升可能需要通过弦论的发展。尽管单靠直觉，大部分物理学家都认为通往过去的时间旅行并不可行，但在今天，这个问题尚未盖棺定论。

宇宙观光

谈到时间旅行的时候，霍金提出了一个有趣的问题。他问道：“如果真的可以做时间旅行，那么我们为什么从来也没遇到过来自未来的客人呢？”你可能会说：“或许我们早就遇到过了。”你也可能进一步辩解道：“这些时间旅行者中的大部分都被我们扔到紧锁的病房里去了，剩下的那些多半不敢表明自己的身份。”当然，霍金的话半是玩笑，我的回答也是这样，但他提出的问题却很严肃。如果你也像我一样认为，我们尚未遇到过任何来自未来的人，那是不是可以说时间机器根本是不可能的呢？毫无疑问，要是未来的人们真的成功地建造出了时间机器，那么某些历史学家必定要亲身到现场研究一下第一颗原子弹的建造，第一次的月球之旅，或者第一台电视机的投产。所以，要是我们相信从未有来自未来的人访问过，那么也就相当于说我们相信根本不可能有时间机器这回事。

但实际上，这可不是一个必然的结论。乘坐时间机器并不能回到第一台时间机器建造出来以前的时代。对于虫洞时间机器来说，仔细看看图15.5就会明白这一点。尽管虫洞的两个端口之间有时间差，尽管这种时间差使得我们可以向未来或向过去做时间旅行，但你却不能去一个早在时间差建立起来之前的时刻。虫洞本身并不能存在于时间片左边很远的地方，所以你也没办法到达那样的地方。因而，假如说时间机器在距今1万年后建造出来，那一时刻无疑将吸引很多时间旅客，但是在那之间的时代，比如说我们这个时代，就是时间机器永不可及的了。

我们对自然定律的现有理解不仅能告诉我们如何避免显而易见的时间旅行悖论，还能为建造时间机器这样的想法出谋划策，这一点实在令我感到非常新奇。可别当我错了，我可属于清醒物理学家行列——我们凭直觉认定未来的某一天利用时间机器回到过去的可能性将会被物理定律排除掉。但在明确的证明出现之前，我们最好公正客观地保持着开放式思维。至少，研究这些问题的物理学家们不自觉地深化了我们对极端条件下的空间和时间的理解。他们可能正朝着时空高速路迈出关键的第一步。不管怎么说，在我们成功地造出时间机器之前的每一个时刻都将一去不返，永远地弃我们以及我们之后的人类而去。