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回到过去需要相当高的技巧。相对论允许这次旅行发生在一个特定的时空结构中:一个旋转的宇宙，一个旋转的圆柱体，以及一个非常著名的虫洞——一个贯穿时空的隧道。
自从H. G. Wells在1895年写了他的著名小说《时间机器》之后，时间旅行就成为了一个流行的科幻题材。但是真的能实现吗？有没有可能造一台机器把人运送到过去或未来？
几十年来，时间旅行一直处于主流科学的边缘。然而，近年来，这个话题在一些理论物理学家中变成了个人的研究爱好。这种改变部分是为了娱乐——想象时间旅行很有趣。但是这项研究也有其严肃的一面。理解因果关系是试图建立统一物理理论的关键部分。如果无限时间旅行是可能的，那么原则上，这种统一理论的性质可能会受到极其严重的影响。
我们对时间最好的理解来自爱因斯坦的相对论。在这些理论诞生之前，人们普遍认为时间是绝对的、普遍的。无论什么人的身体状态，时间对每个人都是一样的。在爱因斯坦的狭义相对论中，他提出测量两个事件之间的时间间隔取决于观察者如何运动。至关重要的是，两个具有不同运动状态的观察者对于相同的两个事件将经历不同的持续时间。
经常被“双胞胎悖论”描述的效果:假设莎莉和山姆是双胞胎，莎莉乘坐宇宙飞船高速前往附近的恒星，然后折返飞回地球，而山姆只是呆在家里。对于莎莉来说，这次旅行持续了大约一年，但是当她回到地球，走出飞船的时候，她发现地球上已经过了10年，现在她的哥哥比她大了九岁。虽然莎莉和山姆出生在同一天，但他们的年龄已经不同了。这个例子说明了一种有限的时间旅行。事实上，莎莉已经跳到了九年后的地球未来。
系统详细信息累积的时间差
航空飞行以每小时920公里的速度飞行八个小时(相对于惯性参考系)。
核潜艇在300米深度巡航6个月500纳秒(相对海平面)。
宇宙射线中的自由中子能量高达1018电子伏特，从15分钟延长到30000年。
中子星红移0.2，时间膨胀20%(相对于外太空)
喷气式飞机速度很慢。
被称为时间膨胀的效应总是发生在两个相对运动的观察者之间。在我们的日常生活中，我们不会注意到奇怪的时间包裹，因为只有当运动接近光速时，这种效应才会变得明显。即使以飞机的速度，典型旅行中的时间膨胀也只有几纳秒——不足以完成一次威尔士探险，但原子钟有足够的精度记录这种变化，并证实时间确实因运动而延长。所以去未来旅行是一个被证明的事实，即使到目前为止只达到了这么令人兴奋的程度。
建造虫洞时间机器的三个不简单的步骤
1.找到或建立一个虫洞，打开一条隧道，连接太空中的两个不同区域。大型虫洞可能自然存在于外太空，这是BIGBANG的遗留物。如果不是这样，那我们就只好将就比原子还小的虫洞了。它们要么是自然产物(我们身边每时每刻都有小虫洞诞生和死亡)，要么是人工产物(如这里的图片所示，它们是由粒子加速器产生的)。这些较小的虫洞必须扩大到实际大小，也许使用的能量场将很快导致大爆炸中的空间膨胀。
2.稳定虫洞。通过利用所谓的卡西米尔效应注入量子产生的负能量，虫洞允许信号和物体安全地穿过它。负能量会抵抗虫洞坍缩到一个密度无穷大或接近无穷大的点的趋势。换句话说，它阻止了虫洞变成黑洞。
3.拖动虫洞。一艘技术非常先进的飞船将虫洞的入口彼此分开。一个入口可能被放置在中子星的表面，中子星是一种密度极高的恒星，具有很强的引力场。强大的引力使时间变慢。因为在虫洞的另一个入口时间过得更快，所以两个入口不仅在空间上而且在时间上是分开的。
为了观察真实而重大的时间扭曲，一个人必须跳出通常的经验领域。在大型加速器中，亚原子粒子可以加速到接近光速。其中一些粒子，如μ子，有一个内置的时钟，因为它们以一定的半衰期衰变；根据爱因斯坦的理论，观察到在加速器中高速运动的μ子以慢动作衰变。一些宇宙射线也经历了惊人的时间扭曲。这些粒子的移动速度非常接近光速，根据他们的视角，他们可以在几分钟内穿过银河系，尽管在地球参考系中似乎需要数万年。如果时间膨胀从未发生过，那些粒子就不会出现在这里。
高速移动是一种跳跃到未来的方式。重力是另一种手段。在爱因斯坦的广义相对论中，他预言引力可以减缓时间的流逝。与地下室相比，顶楼的时钟走得更快，越靠近地心，从而越深入引力场，这种现象会越来越明显。同样，时钟在太空中比在地面上走得快。虽然这种影响可以忽略不计，但它已经被一个精确的时钟直接测量出来了。事实上，在全球定位系统中必须考虑这些时间扭曲效应。如果他们不考虑这一点，水手、出租车司机和巡航导弹会发现自己偏离轨道很多公里。
中子星表面的引力如此之强，以至于时间流逝的速度比地球上慢了30%左右。从这样一颗恒星上观察，这个事件看起来就像一个快进视频。黑洞代表了时间扭曲的极端；在这个天体的表面，时间相对于地球是停滞的。这意味着，如果你从附近掉入黑洞，在你到达其表面的短暂时间内，广阔的宇宙已经经历了无限的时间。所以就黑洞外的宇宙而言，黑洞内部是时间终结的区域。如果宇航员能够快速移动，他就可以非常接近黑洞并安全返回——没有人不认为这是富有想象力的，更不用说它的鲁莽了。至于前景，他可以飞跃到遥远的未来。
我的头在旋转。
到现在为止，我已经及时讨论了以后旅行的情况。那么逆行呢？这个问题就大得多了。1948年，新泽西州普林斯顿高等研究院的库尔特·加布里埃尔(Kurt Gabriel)提出了爱因斯坦引力场方程的解，来描述旋转的宇宙。在这个宇宙中，一个宇航员可以在太空中旅行，以达到回到过去的目的。这是引力影响光的结果。宇宙的旋转导致光(以及事物之间的因果关系)被牵引并包围在其中，这使得一个处于闭合回路中的物体能够在空间的闭合回路中运动，同时在时间的闭合回路中旅行，在任何时候都不会超过相对于相邻粒子的光速。加布里埃尔的解释被作为数学神话搁置了——毕竟没有观测到宇宙作为一个整体在旋转。他的计算只是证明了时间上的逆行并不违反相对论。事实上，爱因斯坦说，他对自己的理论在某些情况下可能让他回到过去的想法感到困惑。
其他让我们回到过去的猜想也被发现了。比如1974年，杜兰大学的Frank J. Tipler计算出一个巨大的无限长的旋转圆柱体。在它的轴上，宇航员可以以光速访问他们的过去，即拖动圆柱体附近的光形成一个环。1991年，普林斯顿大学的j·理查德·戈特(J. Richard Gott)预测宇宙弦(宇宙学家假设其结构产生于早期大爆炸)可能产生类似的结果。但是在20世纪80年代中期出现的最现实的时间机器脚本是基于虫洞的概念构思的。
在科幻小说中，虫洞有时被称为星际之门；它们在空间中相距遥远的两点之间提供了一条捷径。跳过一个想象中的虫洞，你可能一会儿就出现在银河系的另一边。虫洞自然符合广义相对论。凭借引力，不仅空间可以弯曲，时间也可以扭曲。理论允许存在连接空间两点的替代路径和隧道。数学家提出了多重联系的空间形式。就像穿过山底的隧道比山表面的路短一样，虫洞也可能比穿过普通空间的普通路线短。
卡尔·萨根在他的小说《从65438年到0985年的接触》中将虫洞作为虚构的装置。在萨根的建议下，加州理工学院的Kip S. Thorne和他的同事们开始调查虫洞是否与已知的物理现象一致。他们的出发点是，虫洞是一个和黑洞有着同样可怕引力的物体。但与黑洞不同，后者只提供单向旅行，没有目的地，而虫洞将同时有出口和入口。
在拳击场上
因为虫洞是可以穿越的，它一定包含了索恩所说的奇怪物质。其实这是一种可以产生反重力效应来抵抗大规模系统由于自身强大引力而被推入黑洞的自然趋势的东西。反重力，或者说万有斥力，可以由负能量或者负压产生。众所周知，负能量状态存在于特定的量子系统中，这表明索恩的奇异物质并不被物理定律所禁止，尽管尚不清楚是否可以收集足够的反重力物质来稳定一个虫洞。【参见《时间与空间中的负能量、虫洞和弯曲驾驶》，劳伦斯·h·福特和托马斯·a·罗曼，《科学美国人》，第65438期+2000年10月】。
很快，索恩和他的同事们意识到，如果可以制造一个稳定的虫洞，就可以很容易地将其改造成时间机器。一个穿越虫洞的宇航员不仅可能出现在宇宙的某个地方，也可能在某个时期，也就是未来或者过去。
为了使虫洞适合时间旅行，它的一个洞应该被引向中子星，并放置在中子星表面附近。恒星的引力会使虫洞入口附近经过的时间变慢，使得虫洞两端的时间差逐渐累积。如果两个端口都放在空间的适当位置，时差将保持冻结。
假设这个差是10年。如果一个宇航员从一个方向穿越一个虫洞，他将在10年后跳到未来。相反，如果宇航员从另一个方向穿越虫洞，他就会跳到10年前的过去。第二名宇航员高速穿越普通太空，回到起点。他出发前可能已经回家了。换句话说，空间上的闭环在时间上可能会演化成环。一个限制是宇航员不能回到虫洞最初建立之前的时期。
一个可怕的问题是，最初创造的虫洞会阻碍虫洞型时光机的制造。也许空间是由这样一种结构自然连接起来的——大爆炸的遗产。如果是这样，一个超级文明很可能会使用虫洞。也许虫洞是在非常小的尺度上自然产生的(所谓的普朗克长度大约是核尺度的10-20)。原则上，这样一个微小的虫洞可以通过脉冲能量来稳定，然后以某种方式扩展到可用的大小。
复习！
如果很多工程问题被攻克，时光机的生产将打开因果悖论的潘多拉魔盒。例如，一个时间旅行者访问了过去并谋杀了一个年轻女孩的母亲。我们如何弄清楚这种事情意味着什么？如果这个女孩死了，她不可能是时间旅行者的母亲。但是如果时间旅行者没有出现，他就不能回去谋杀他的母亲。
著名的母亲悖论(左)及其解决方案(右)
著名的母亲悖论(有时被其他家庭关系系统阐述)是由人或物能够回到过去，改变过去时态而引起的。简化版以弹珠为例。一个弹球穿过一个虫洞类型的时间机器，然后在更早的时间撞击自己，从而永远阻止它进入虫洞。
这个悖论的解决源于一个简单的理解:弹珠不能违背逻辑或物理定律。当然，它无法阻止自己穿过虫洞，但没有什么能阻止大理石以无数种其他方式穿过虫洞。
当时间旅行者试图改变过去时，这样明显不可能的悖论就会出现。但这并不能阻止某人成为过去的一部分。假设时间旅行者回到过去，从谋杀中救出一个年轻女孩。这个女孩长大后成了他的母亲。那么因果联系现在是自洽的，不再矛盾了。因果关系的一致性可能会强行限制时间旅行者能做什么，但这并不排除时间旅行本身。
即使时间旅行严格来说并不矛盾，但仍然不可思议。想象一下，一个时间旅行者跳到一年后，在未来版的《科学美国人》上读到了最新的数学定理。他记下了细节，回到了自己的时代，并将这一理论传授给了一名学生，这名学生后来为《科学美国人》撰写了一篇文章。这篇文章肯定是时间旅行者读到的。那么问题来了:关于这个定理的信息从哪里来？不是来自一个时间旅行者，因为他只是一个读者，但不是来自那个学生，他从前者那里学到了定理。信息似乎是无缘无故突然出现的。
时间旅行的不寻常推论导致一些科学家完全否定了这个想法。剑桥大学的斯蒂芬·霍金提出了一个“年表保护猜想”，将宣布因果循环无效。众所周知，由于相对论允许因果关系的存在，时序保护需要引入一些其他因素来调解，以防止穿越到过去的情况。这个因素会是什么呢？一个提议是量子过程将解决这个问题。时间机器的存在将允许粒子循环进入它们的过去。计算结果表明，立即发生的扰动会加强自身，导致能量从中逃逸的浪涌会导致虫洞的坍塌。
年代保护还只是猜测，所以时间旅行还是保留了可能性。问题的最终解决方案必须期望量子力学和引力的成功结合，也许要借助弦理论或其扩展理论，即所谓的M理论。我们甚至可以想象，下一代粒子加速器将能够在原子尺度上产生虫洞，这种虫洞可以存在足够长的时间，让附近的粒子执行短暂的因果循环。这远比威尔斯想象的时光机深刻，它将永远改变我们的物理现实。
参考资料:
http://www . our sci . org/magazine/200210/021015 . htm