霍金：时间旅行指南，解密两种方式

时间旅行的两种方式是什么？

霍金在他的遗作《十问：霍金沉思录》中告诉我们，通过时间旅行穿越到过去，是人类很有可能实现的梦想。霍金的观点其实跟爱因斯坦的观点针锋相对。爱因斯坦认为时间旅行不可能，但是霍金觉得未必不可，而且实现这个梦想的方式不止一种，至少有两种：一种是新能源加速；一种是构造虫洞。

所谓的新能源是一种叫作“宇宙弦”的东西。一些科学家认为从炽热的宇宙大爆炸发展到今天，宇宙中形成了一些时空中的裂缝，这就像家里装修时铺地砖一样，从两边往中间铺设，铺到中间总有不合适的地方，这样就产生了错位和裂缝。这些裂缝是一维的，严格来说是有宽和高的，但是宽度和高度非常小，像一根细细的琴弦，所以叫作宇宙弦。这些弦的内部张力是我们没有办法想象的。如果把太阳像弹珠一样放在宇宙弦的弹弓上发射出去，太阳的速度从0加速到时速100千米，只需要0.03秒。所以，如果人类未来可以利用宇宙弦的话，是可以用极高的速度穿越回过去的。

宇宙弦（Cosmic String），宇宙大爆炸所产生的威力形成无数细而长且能量高度集聚的管子，就像“光线”一样。

如果宇宙弦产生的原理比较难理解的话，我们可以简单地将它理解为宇宙大爆炸之后的遗留物，在宇宙空间中大量存在。它们有点儿像蜘蛛丝，但远比原子还细，密度大到离谱，1厘米的宇宙弦比整座喜马拉雅山的质量还要大，而且具有张力，可以拉长、绷紧。理论上，如果能对其特性加以利用，则可以获得接近甚至超越光速的速度。爱因斯坦指出，当物体的运动速度接近光速时，对于物体而言，时间就近乎停滞了。如果物体的速度超过光速，便能穿越回过去。这就是霍金指出通过时间旅行穿越回过去是人类很有可能实现的梦想的原因。

宇宙弦的基本特征：

（1）时间上和空间上有始但不一定有终；

（2）空间上有限无界；

（3）由四种基本力组成，支撑宇宙存在和演化。

宇宙弦

除了加速穿越，还有一种办法可以实现时间旅行，就是缩短路径，把遥远的时空掰弯，然后形成一个管洞，穿越回去，比如虫洞。简单来说，虫洞就是“黑洞+白洞”，黑洞往里吞东西，白洞往外吐东西，可以类比一正一反的两个漏斗，把这两个漏斗尖接起来，这样黑洞进，白洞出，看起来就像一个虫洞。

白洞：宇宙中的喷射源，向外部区域提供物质和能量，是一个只发射不吸收的特殊性宇宙天体，目前还仅是一种理论模型，尚未被观测所证实。

虫洞：连接两个遥远时空的多维空间隧道，迄今为止科学家们还没有找到虫洞存在的证据。

虫洞其实最早也是爱因斯坦提出来的，叫作“爱因斯坦-罗森桥”。20世纪60年代普林斯顿大学的物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒在研究爱因斯坦-罗森桥的数学模型时创造了“虫洞”的术语。这里要提一下，“黑洞”这个术语也是惠勒提出来的。他指出，这些桥很像虫子穿过苹果后留下的洞。一只蚂蚁从苹果的一端爬到另外一端，选择直接穿越苹果，而不是从苹果表面上爬过去，走直接穿过苹果的路径，要比从苹果表面绕过去所用的时间短，如果这个苹果很扁的话所用的时间会更短。

虫洞模型

科学家到现在还没有发现虫洞，那凭什么说这么做就是可行的呢？因为构造虫洞要有一个条件，就是负能量，而这个条件人类已经通过实验实现了，这个经典的物理学实验所产生的效应，叫“卡西米尔效应”。科学家卡西米尔将两块平行的金属板放在真空里，挨得特别近，几乎要贴上了，就这么普普通通放着的两块金属板，在没有通电的情况下，它们自己会往一起贴，此时这两块金属板就产生一种吸引力，越挨越近。这就是卡西米尔效应。如果两块金属板之间的距离只有10纳米（1纳米相当于十亿分之一米），卡西米尔效应可以产生一个标准大气压的压强（注意金属板周围并没有空气）。

负能量：在物理学上的解释是指低于真空零点的能量，为负数。

卡西米尔效应（Casimir Effect）：真空中两块中性（不带电）的金属板会出现吸力，这种效应只有在两个物体的距离非常小时才可以被检测到。

为什么会出现这种现象呢？两块金属板中间我们要想象成真空状态而不是充满空气。两块金属板中间的中空，严格说来，不完全是空的。在量子力学里真空充满了粒子，粒子对不停地产生和湮灭，由于这些粒子瞬时存在而不能被直接观测到，所以被称为虚粒子（可以是虚光子、虚电子、虚质子等）。这种虚粒子对不是所有的波长都有。我们知道在量子力学里，粒子同时又是波，它们有不同的波长频率，但是在夹缝里面，只有某些波长的虚粒子对才能出现，因为它们的能量密度比较低。这就是说“小尺度”的负能量密度是可以实现的，所以两块板缝隙中的能量密度一定是负的。

虚粒子对（Virtual Particle Pair）：存在时间极端短的粒子和反粒子对，因为生存的时间太短，所以我们无法直接观测到它们，虚粒子对中一个携带正能量，一个携带负能量，所以它们会相互湮灭。

也许卡西米尔实验复杂的推导原理和论证过程让人一头雾水，不过只要我们明白实验结论说明的问题就可以了，那就是负能量环境是可以实现的。虽然现在人类只能在微观的环境中实现它，但是只要具备负能量，理论上就具备了构造虫洞最重要的条件。

虽然构造虫洞还停留在理论上，但卡西米尔效应至少证明，负能量环境是可以被创造的。至于人类未来应该如何利用负能量，或许《星际穿越》这部电影，能给我们一些启示。

人能活着穿越虫洞吗？在电影《星际穿越》里，科学家们在土星附近发现了一个虫洞，一个探险小组通过这个虫洞穿越到太阳系之外，最终帮助人类离开环境恶化的地球，成功移民太空。倘若有一天，人类真的需要像电影中那样穿越虫洞前往远方，还需要具备什么外在条件呢？

我们如何在这样的星际穿越中活下来？其实很简单，就是我们的虫洞要足够大，能允许我们穿越。试着想象一下在更高维度的空间里，如果我们所处的四维时空就像苹果皮一样是弯的，那么穿越高维度空间实体虫洞必然会让我们更快地在三维空间的两个点之间往返。如果三维空间两个相距遥远的奇点跨越更高维度空间相连会发生什么？就像两个史瓦西黑洞通过隧道相连一样。惠勒发现这样的虫洞天生就是不稳定的，稍微给它一点小小的能量，它就会崩塌。所以虽然这样的隧道可以形成，但是很快就会收缩“夹止”（即从中收缩断开），重新形成两个独立的奇点。这个过程非常快，隧道从形成到断开的时间如此之短，以至于连光都来不及从中穿过。而且如果宇航员想要从中通过的话，必然会遇到其中的一个奇点—这是件必死无疑的事情，因为奇点巨大的引力会将任何一个试图靠近的人或物撕得粉碎，任何试图穿越虫洞的人或物都会在夹止的过程中被毁灭。(www.xing528.com)

黑洞的奇点：黑洞周围的质量没有均匀分布而是聚集在黑洞中心的一个点上，以至这个点上的密度趋于无限大，形成了极大的引力，这个点被称为黑洞的“奇点”。

构造虫洞的基本条件：

（1）必须在两地建立虫洞门；

（2）必须有量子通信；

（3）必须有足够的负能量；

（4）必须等量交换。

1988年，理论物理学家基普·S.索恩的研究指出，通过使用负能量可以保持虫洞的打开状态。换句话说，只要你有足够多的负能量物质，那么就可以稳定地撑开虫洞。电影《星际穿越》正是基于基普·S.索恩的黑洞理论，经过合理演化后，加入人物和相关情节改编而成的。这下，你明白负能量对于虫洞穿越的重要意义了吧！

接着我们来讨论影片中的时间膨胀是什么意思？通俗来说就是时间变慢了。时间膨胀贯穿《星际穿越》的整个剧情，电影中的主角进入太空就遇到了时间膨胀，这个可以用“天上方一日，地上已千年”来形容，这实际上给电影增加了一些悲凉和无奈的气氛。时间膨胀其实是一个真实的物理现象。在相对论中，时间和空间尺度随着观测者速度的改变而改变。例如，一个时钟以接近光速的速度向着我们运动，这个时钟所标明的时间，比我们手里拿着的时钟要慢，而且时钟向我们运动的速度越接近光速，时钟走得越慢。有了时间膨胀效应，人们在极高速运动的飞船上时，尽管外界已经经历了很长时间，自己却没有变老，因为极高的速度会使飞船（和里面的所有物体）的时间变慢，也就是说，飞船的时钟走了一圈，地球上的时钟已经转了很多圈。

时间膨胀是一种物理现象，时间并不是永远以人们感受到的速度进行的，它也会发生变化。

如果我们以接近光速的速度飞行，一年后再次回到地球，我们会发现地球上的时间已经过去了数十年甚至更长时间。但就我们自己而言，变老的速度丝毫没有减慢，只是在地球上的人看来，我们的时间变慢了！这就是神奇的时间膨胀现象。利用这个原理，我们就可以把人类送到距离我们最近的恒星附近，而不需要消耗掉宇航员的一生光阴。

如果时间旅行真的实现了，时间旅行的悖论是什么呢？很简单，就是时间旅行本身。如果一个人坐着超级火箭或者时光机穿越到过去，他回到了火箭发射之前，杀死了自己，阻止了火箭发射升空。这就产生了一个悖论，火箭没有升空，他也没有回到过去，又怎么杀死自己呢？这里有两种观点：一种观点是，我们的宇宙有一种时序保护机制，历史是连续的图景，不能被肆意破坏，也就是说你回到过去，看到火箭正要发射，也只能在旁边看着，好像中间隔了一块玻璃，根本没有办法做任何事；当然另外一种观点可能更加不可思议，你穿越虫洞，回到的不是我们这个宇宙，而是回到另外一个宇宙的历史，也就是穿梭在“多重宇宙”之间。这个观点我觉得更加合理。

为了解决时间旅行的悖论，科学家提出了多种假设。例如，比较盛行的“平行宇宙”假说。这个假说认为我们的世界在宇宙中还有许多相似的“克隆世界”。当某人回到过去时，他其实是进入了另一个平行世界（即未来因为他的行动已经改变的世界）。解决了穿越的问题，最后还有一个疑问——虫洞为什么能在两个距离遥远的点之间，甚至不同时间的点之间建立快速穿越通道？要想知道答案，我们首先要树立四维的观念。

四维空间：根据爱因斯坦的相对论得出的一个理论，我们生活中所面对的三维空间加上时间就是四维空间。

为了实现时间旅行，霍金首先建议人们接纳时间作为第四维的观念。当然爱因斯坦早就说过了，对于物理学家来说，时光隧道就是虫洞。霍金说虫洞就在我们四周，只是小得无法看见，比原子、原子核还要小，宇宙万物都会出现小孔或者裂缝。这种基本规律同样适用于时间，时间也有细微的裂缝或空隙，这些比分子、原子还要小的空隙被称作“量子泡沫”。

如何想象四维的超正方体呢？我们先想象一个三维的立方体，然后把它投影到二维空间，你会发现什么呢？就是外面一个正方形，中间一个小正方形，然后在两个正方形之间有四个桥。而四维超正方体投影到三维空间里，就可以想象为外面一个立方体，中间一个小立方体，中间小立方体八个角和外面八个角也有桥，一般人可能很难想象，但这是很合理的想法。

我们假定空间是一维的，在平面上画出一维空间X轴，时间Y轴。如果我们在某一个固定的时间看到人在什么地方，那我们发现在X轴上是一个点，但是如果我们要看这个人是在昨天还是明天，在Y轴上画，如果把昨天和明天一直连续下去，我们会发现人就不是一个点了，在二维的纸上，它是一条线，这个叫作人的世界线。

量子泡沫

量子泡沫也叫时空泡沫，是极小尺度（普朗克长度量级）下量子振荡的定性描述。

粒子的全部“历史”在四维时空中的运动轨迹即为世界线，人的世界线是构成人的所有粒子的世界线的集合。

一维是无数的点组成的直线，二维是无数的线组成的平面，三维是无数的面组成的“立体空间”，四维是三维加上时间变量叠加而成的更高维度的空间。但是我们在生活中只能感受到三维，四维需要用抽象的思维去想象。如果对四维的超正方体理解不了也是非常正常的，对于生活在三维世界的我们，去想象四维空间的物体，本身就有很大难度。不过这里需要知道的是，我们穿越虫洞时，其实是在利用更高维度的空间将宇宙中的两点建立捷径。那些虚粒子对湮灭后去了哪里？有的科学家认为粒子隔空消失是到了更高维度的空间。

“宇宙就是一座黑暗森林，每个文明都是带枪的猎人！”这是科幻作家刘慈欣在《三体》中所描绘的宇宙社会学的核心理论。不仅如此，刘慈欣还在作品里提到了“降维打击”“智子”等诸多的科幻概念。我们不禁好奇，《三体》里众多的科学推定和假想，真的有科学依据吗？

在《三体》中，最吸引人也是最重要的设定就是“黑暗森林法则”。这条法则对故事情节的发展起到了至关重要的作用，而它对于读者来说，也是极度震撼的。