我們這些相信物理學(xué)的人都知道:過去、現(xiàn)在和未來之間的區(qū)別只是一種固執(zhí)的假象。

———阿爾伯特·愛因斯坦

時(shí)間旅行

在時(shí)間上我們能倒退嗎?

像赫伯特·喬治·威爾斯 (H.G.Wels)的小說《時(shí)間機(jī)器》里的主人公一樣,我們能撥動機(jī)器上的指針,跨越數(shù)十萬年到802701年嗎?或者像米迦勒 ·J.?？怂?(MichaelJ.Fox)那樣搭乘钚燃料發(fā)射車去往未來嗎?

如果時(shí)間旅行是可能的,那么,整個(gè)廣闊的世界將充滿各種各樣可能發(fā)生的非常有意思的事情。正如凱思琳·特納 (KathlenTurner)的小說《帕格爾斯·蘇結(jié)婚了》中所描述的那樣,每個(gè)人都在私下里許了一個(gè)心愿———設(shè)法回到過去,糾正自己在生活中犯下的某些小的但卻是至關(guān)重要的錯(cuò)誤。在羅伯特·弗羅斯特 (RobertFrost)的詩《沒有走過的路》中,我們非常希望知道,如果我們在生活中選擇了不同于以往的另一條路徑,會發(fā)生什么。有了時(shí)間旅行,我們就能回到年輕的時(shí)候,去糾正那些過去發(fā)生過的令人尷尬的事情。我們可以選擇不同的伴侶,或從事不同的事業(yè);甚至可以改變關(guān)鍵時(shí)刻的重要?dú)v史事件的結(jié)果,或改變?nèi)祟惖拿\(yùn)。

例如,在電影《超人》的劇情高潮中,我們的英雄在情感上被徹底摧 毀了。當(dāng)?shù)卣饘⒋蟛糠旨永Ｄ醽喌貐^(qū)毀壞,并將他的愛人壓在幾百噸的巖石和碎片之下。他為妻子可怕的死亡而哀悼,難以抑制心中的痛苦。他飛入太空,違背了不干預(yù)人類歷史的誓言。他不斷加快自己的速度,直到超越光速,從而破壞了時(shí)間和空間的結(jié)構(gòu)。他以光的速度旅行,迫使時(shí)間慢下來并最終停止,最后回到露意絲 ·連恩 (LoisLane)被巖石碾死之前。

但是,這一招顯然是不現(xiàn)實(shí)的。雖然速度的增加可以減慢時(shí)間,但你不可能加速到比光速還快的速度,也就不能使時(shí)間逆轉(zhuǎn)。其原因是,根據(jù)狹義相對論原理,當(dāng)你加速到無限大速度的時(shí)候你的質(zhì)量也會變得無限大。因此,大部分科幻小說作家偏愛的超光速旅行方式與狹義相對論矛盾。

愛因斯坦非常明白這是不現(xiàn)實(shí)的。A.H.R.布勒 (A.H.R.Buler)也充分意識到了這點(diǎn),他在《笨拙》雜志上發(fā)表了以下打油詩:

有一個(gè)叫布萊特的年輕姑娘,

她的速度比光速還快。

她旅行了一天,

以相對論方式,

回到了前一天的晚上。

大多數(shù)的科學(xué)家都沒有認(rèn)真研究愛因斯坦的方程,他們將時(shí)間旅行當(dāng)做一派胡言,并將其與 “外星人綁架那樣的駭人聽聞的報(bào)道”相提并論。然而,實(shí)際上這個(gè)事情相當(dāng)復(fù)雜。

為了解決這個(gè)問題,我們必須暫時(shí)放棄狹義相對論這一較為簡單的理論,繼而擁抱更強(qiáng)大的也許能允許時(shí)間旅行的廣義相對論。廣義相對論比狹義相對論具有更廣泛的有效性。狹義相對論描述那些遠(yuǎn)離恒星的以恒定速度運(yùn)動的物體;廣義相對論更強(qiáng)大,它能描述靠近超大質(zhì)量恒星和黑洞時(shí)的火箭的加速。因此,廣義相對論取代了狹義相對論的一些簡單的結(jié)論。對于任何一位在愛因斯坦廣義相對論框架內(nèi)認(rèn)真地對時(shí)間旅行作過數(shù)學(xué)分析的物理學(xué)家來說,最終結(jié)論都是令人震驚的。但他們對 “時(shí)間旅行是否可能”這個(gè)問題卻遠(yuǎn)沒有搞清楚。

支持時(shí)間旅行觀點(diǎn)的科學(xué)家指出,愛因斯坦的廣義相對論確實(shí)允許某 種形式的時(shí)間旅行。但他們也承認(rèn) ,將時(shí)間彎曲成一個(gè)圓需要一個(gè)無窮大的能量 ,因此 ,愛因斯坦的方程失靈了。當(dāng)時(shí)間旅行變得非?？赡芮以谖锢韺W(xué)上存在于相當(dāng)有意思的區(qū)域內(nèi) ,量子理論將會取代廣義相對論。

我們記得 ,愛因斯坦的方程指出時(shí)空曲率或時(shí)空彎曲是由宇宙中的物質(zhì)-能量的含量所決定。事實(shí)上 ,可以找到足夠強(qiáng)大的物質(zhì) -能量來迫使時(shí)間彎曲并允許時(shí)間旅行。然而 ,使時(shí)間彎曲到倒退所必需的物質(zhì) -能量的力度是非常大的 ,以至于廣義相對論被打破 ,量子修正開始主宰相對論。因此 ,時(shí)間旅行的最終判決不能在愛因斯坦方程的框架內(nèi)回答。在巨大的引力場中 ,愛因斯坦方程失靈 ,在這里 ,我們期待量子理論成為主導(dǎo)。

這正是超空間理論可以解決的問題 ———量子理論和愛因斯坦的引力理論在十維空間中將得到統(tǒng)一。我們預(yù)計(jì) ,時(shí)間旅行問題將由超空間理論明確解決。至于蟲洞和多維窗口 ,我們將把它放在最后一章集中討論 ,同時(shí)總結(jié)超空間理論能發(fā)揮的全部作用。

現(xiàn)在 ,我們?yōu)榇蠹抑v述圍繞時(shí)間旅行所發(fā)生的一些爭論 ,以及那些不可避免地產(chǎn)生的有趣的悖論。

因果關(guān)系的崩潰

科幻小說家總希望知道 ,一個(gè)人在時(shí)間中逆行 ,回到過去是一種什么景象。一些小說中的故事 ,從表面上看是合理的也是可能的。但仔細(xì)思考,如果時(shí)間機(jī)器像汽車那樣普及 ,我們的世界可以隨處購買 ,那將是一種多么混亂的場面?？茖W(xué)浩劫即將來臨 ,它會撕裂我們現(xiàn)有的宇宙結(jié)構(gòu)。數(shù)以百萬計(jì)的人可以回到過去 ,重寫歷史。一些人甚至帶著槍械回到過去,欲在他們的敵人出生之前就干掉這些敵人的父母。因此 ,在這樣的條件下 ,即便是進(jìn)行最簡單的人口普查 ,也開始變得困難且不具有現(xiàn)實(shí)性。

如果時(shí)間旅行是可能的 ,那么 ,因果律就會遭到破壞。事實(shí)上 ,我們所認(rèn)知的全部歷史也將發(fā)生崩潰。想象一下 ,成千上萬的人回到過去 ,他們改變了那些影響歷史進(jìn)程的關(guān)鍵事件 ,將會引起什么樣的混亂?；蛟S ,突然地 ,福特劇院的聽眾中就擠滿了來自未來的比他們晚到的爭吵者。這些晚到的未來人互相爭奪 ,都希望自己能獲得阻止林肯總統(tǒng)被暗殺的殊 榮。或許,數(shù)以千計(jì)的來自未來的人為了追求刺激而來到諾曼底登陸處拍照,從而導(dǎo)致諾曼底登陸計(jì)劃因?yàn)樾姑芏　?/p>

歷史上的重大戰(zhàn)役,可以超越原先的既定結(jié)果而被迫修改。試想公元前331年發(fā)生的高加米拉戰(zhàn)役。當(dāng)時(shí),亞歷山大大帝戰(zhàn)勝了大流士三世領(lǐng)導(dǎo)的波斯人,從而取得了決定性的勝利。這場戰(zhàn)爭導(dǎo)致了波斯統(tǒng)治的徹底崩潰,結(jié)束了他們與歐美地區(qū)的對抗形式,使得西方文明和文化在未來的 1000年里在世界范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)在,我們假設(shè)有一小隊(duì)今天的雇傭兵帶著現(xiàn)代的火炮和小型火箭進(jìn)入古代戰(zhàn)場,將會帶來什么樣的結(jié)果?即便最微弱的現(xiàn)代火力也能將亞歷山大的那些驚恐的士兵輕易擊潰。這種對過去歷史的干涉將會削弱西方文明和文化在世界范圍上的擴(kuò)張。

時(shí)間旅行意味著任何歷史事件都沒有結(jié)尾,人們可以隨時(shí)回到過去修改歷史。歷史著作將永遠(yuǎn)無法寫就。時(shí)間也許會永久停留在 20世紀(jì) 30年代,一些頑固分子總是企圖回到過去,刺殺尤利西斯 · S.格蘭特將軍 (UlysesS.Grant)或想辦法將原子彈的秘密送給德國人。

如果歷史可以像擦黑板那樣隨便重寫,會發(fā)生什么呢?我們的過去會變得如海邊移動的沙子,不斷被微風(fēng)吹向這邊或那邊。每當(dāng)有人撥動時(shí)間機(jī)器上的轉(zhuǎn)盤,并錯(cuò)誤地將自己的時(shí)間方向逆轉(zhuǎn),我們的歷史將會不斷改變。正如我們前面所講述的,歷史將不復(fù)存在。

大多數(shù)科學(xué)家顯然不喜歡這種令人不快的可能性。歷史學(xué)家更是無法接受,每當(dāng)我們進(jìn)入過去或未來時(shí),歷史存在的意義就產(chǎn)生了動搖,矛盾不可避免。事實(shí)上,宇宙學(xué)家史蒂芬 ·霍金 (Stephen Hawking)已使用 “實(shí)驗(yàn)”證據(jù)證明了時(shí)間旅行是不可能的。他提出,到目前為止,我們尚未受到過來自未來世界的旅行者的入侵就是證明時(shí)間旅行是不可能的最好證據(jù)。

時(shí)間悖論

要弄明白時(shí)間旅行的問題,首先需要將各種悖論進(jìn)行分類。一般情況下,大多數(shù)悖論可以被劃分為兩種基本類型:

1.在你出生之前會見你的父母

2.沒有過去的人 (你沒有過去 )

第一種時(shí)間旅行對時(shí)空結(jié)構(gòu)造成了較大程度的傷害 ,因?yàn)樗淖兞嗽扔涗浭录南群箜樞?。例?,在《回到未來》一書中 ,故事中的年輕英雄回到過去 ,與他的母親相遇。他的母親當(dāng)時(shí)是一個(gè)年輕的女孩 ,在那時(shí)還未愛上他的父親。主人公震驚并沮喪地發(fā)現(xiàn) ,他無意中阻止了自己父母之間決定命運(yùn)的相會。更糟糕的是 ,他年輕的母親已滿含深情地被他吸引!如果 ,他不經(jīng)意地阻止了他父母的相愛 ,且無法將他母親錯(cuò)位的感情糾正 ,他將會消失 ———因?yàn)檫@樣的話 ,他將無法出生。

第二種悖論涉及的事件沒有開始。例如 ,一位貧困的、苦苦掙扎的發(fā)明家試圖在他雜亂的地下室建造出世界上第一臺時(shí)間機(jī)器。不知從哪兒來了一個(gè)富有的老紳士 ,為他提供了充足的資金、復(fù)雜的方程式和電路以支持他制造時(shí)間機(jī)器。在隨后的時(shí)間 ,這位發(fā)明家發(fā)財(cái)了。因?yàn)樗莆樟藭r(shí)間旅行的知識 ,可以精確地知道股票市場何時(shí)繁榮何時(shí)蕭條。他在股票市場、賽馬會以及其他活動上下賭注 ,創(chuàng)造了巨額財(cái)富。幾十年后 ,作為一個(gè)富有的年老的人 ,他及時(shí)地返回到過去履行自己的使命。他遇上了他自己———一位在他的地下室中工作的年輕人。他將有關(guān)時(shí)間旅行的秘密告訴了年輕的自己 ,并為年輕人提供了充足的金錢。故此 ,循環(huán)下去。問題是:時(shí)間旅行的想法來自何處 ?

第二種悖論的最瘋狂之處或許來源于羅伯特 ·海茵萊茵 (Robert Heinlein)的短篇小說《你們都是僵尸》。

1945年,一個(gè)小女孩被神秘地送到在克利夫蘭的一家孤兒院。“簡”在孤獨(dú)和沮喪中成長 ,她不知道自己的父母是誰。直到 1963年的一天 ,她奇遇了一個(gè)流浪者 ,被他吸引且深深地愛上了他。當(dāng)一切事情似乎都開始好轉(zhuǎn)的時(shí)候 ,一系列的災(zāi)難發(fā)生了。首先 ,流浪者致使她懷孕 ,然后消失了。其次 ,在復(fù)雜的分娩過程中 ,醫(yī)生發(fā)現(xiàn)她有兩套性器官。為拯救她的生命 ,醫(yī)生通過手術(shù)將 “她”變成了 “他”。最后 ,一個(gè)神秘又充滿誘惑力的陌生人從產(chǎn)房拐走了她的孩子。

由于受到這些災(zāi)難的打擊、社會的排斥以及命運(yùn)的捉弄 ,“他”變成了一個(gè)酒鬼和流浪漢。簡失去了父母、情人 ,以及唯一的孩子。多年后的 1970年,簡跌跌撞撞地進(jìn)了一個(gè)名為 “大眾 ”的酒吧 ,向一位上了年紀(jì)的酒保講述了自己可憐的故事。有著同情心的酒保為流浪者提供了一個(gè)機(jī)會 去報(bào)復(fù)讓她懷孕又將其拋棄的情人 ,方法是加入 “時(shí)間旅行團(tuán) ”。他們一起進(jìn)入了一個(gè)時(shí)間機(jī)器 ,酒保讓流浪者回到了 1963年。奇怪的事情發(fā)生了 ———流浪者愛上了一個(gè)年輕的父母雙亡的女子 ,并讓她懷上了身孕。

酒保繼續(xù)向前走了 9個(gè)月 ,將女嬰從醫(yī)院里偷出來 ,并駛回到 1945年將嬰兒送進(jìn)孤兒院。之后 ,再把徹底糊涂的流浪者送回 1985年,加入時(shí)間旅行團(tuán)。最后 ,他將自己裝扮成一個(gè)酒保 ,擔(dān)負(fù)起一個(gè)困難的使命 :1970年在大眾酒吧與某個(gè)流浪者會面。

問題是 :誰是簡的母親、父親、祖父、祖母、兒子、女兒、孫女和孫子?當(dāng)然 ,女孩、流浪漢、酒保 ,都是同一個(gè)人。這些矛盾可以讓你頭昏腦漲 ,尤其是試圖解開簡交織的親子關(guān)系。如果畫一張簡的家譜 ,我們會發(fā)現(xiàn)所有的樹枝都向內(nèi)卷曲回到了簡自身 ,就像一個(gè)圓圈。我們得出了驚人的結(jié)論 :她是自己的母親 ,也是自己的父親 !她自身就是一個(gè)完整的家譜。

世界線

相對論為我們提供了一個(gè)簡單的方法來處理這些棘手的悖論。我們將利用由愛因斯坦首創(chuàng)的 “世界線 ”方法來解決問題。

比如 ,我們的鬧鐘在一天早上 8點(diǎn)叫醒我們 ,我們決定上午賴床不去上班。在表面上看 ,我們是賴在床上無所事事 ,實(shí)際上 ,我們描繪出了一條 “世界線 ”。

取一張繪圖紙 ,我們將水平方向上的標(biāo)度設(shè)置為 “距離 ”,垂直方向上的標(biāo)度設(shè)置為 “時(shí)間 ”。8點(diǎn)到 12點(diǎn),我們躺在床上 ,我們的世界線將顯示為一條垂直的直線。我們的時(shí)間向未來走了 4小時(shí) ,但我們的旅行距離為0。即便是什么也不做 ,也產(chǎn)生了一條世界線。(如果有人批評我們賴床,我們可以用愛因斯坦的相對論來反駁他 ———誰說我們什么也沒做 ,我們在四維時(shí)空中畫了一條世界線。)我們最終在中午下床 ,下午 1點(diǎn)抵達(dá)工作地點(diǎn)。我們的世界線變得傾斜,因?yàn)槲覀冊诳臻g和時(shí)間上都進(jìn)行了移動。圖 11.1中左下角是我們的家,右上角是辦公室。如果我們選擇駕車去工作地點(diǎn) ,將會節(jié)約一半的時(shí)間。在坐標(biāo)系上將會變現(xiàn)為 ———走得越快 ,時(shí)間線就會偏離垂直方向越

圖11.1我們的世界線包括了我們的整個(gè)歷史 ,從生到死。例如 ,我們在床上從早 8點(diǎn)躺到 12點(diǎn),我們的世界線是一條垂線。我們開車去工作 ,我們的世界線變成一條斜線。我們開得越快 ,世界線就越傾斜。我們在理論上可達(dá)到的最高速度是光速 ,故而產(chǎn)生了臨界斜率。因此 ,超過光速而產(chǎn)生的時(shí)空圖是 “禁止 ”區(qū)域。簡言之 ,我們必須超過光速才能進(jìn)入這個(gè)禁區(qū)。

多。(注意 ,圖中存在一個(gè)我們的世界線永無法進(jìn)入的禁區(qū) ,因?yàn)槲覀兊乃俣葻o法超過光速。)我們可以得出一個(gè)結(jié)論。我們的世界線永遠(yuǎn)沒有真正的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。即使我們死亡 ,我們身體中的分子的世界線會繼續(xù)延伸。這些分子或許會擴(kuò)散到空氣或土壤中 ,但他們會畫出它們自己永不結(jié)束的世界線。同理,當(dāng)我們出生時(shí) ,來自母親的分子的世界線將凝聚到嬰兒中。世界線永不會被打破或無中生有。

為了弄明白這個(gè)道理 ,以我們自己的世界線為例。如,1950年,我們的母親和父親相遇、相愛 ,并產(chǎn)生了嬰兒 (我們)。因此 ,我們的母親和父親的世界線相遇后產(chǎn)生了第三條世界線 (我們的世界線)。當(dāng)某個(gè)人死亡時(shí) ,構(gòu)成這個(gè)人的世界線最終會分散成數(shù)十億條我們分子的世界線。從這點(diǎn)來看 ,人類可以被定義為分子的世界線的臨時(shí)集合。這些世界線散落在我們出生之前 ,共同組成了我們的身體 ,并在我們死亡后重新擴(kuò)散?！妒ソ?jīng)》說:“從塵埃中來 ,到塵埃中去 ”。在相對論繪景中 ,我們可以說 , “從世界線來 ,到世界線去 ”。

因此 ,我們的世界線包含有關(guān)我們歷史的全部信息。我們的第一輛自行車、第一次約會、第一份工作 ,發(fā)生在我們世界上的每件事都記錄在我們的世界線上。事實(shí)上 ,偉大的俄羅斯宇宙學(xué)家喬治 ·伽莫夫 (George Gamow)就巧妙地將他的自傳命名為《我的世界線》。他以才氣過人的智慧和異想天開的想象力詮釋愛因斯坦的著作而聞名于世。

我們可以借助世界線來想象自己回到過去會發(fā)生什么。我們進(jìn)入一個(gè)時(shí)間機(jī)器 ,在我們出生之前遇上了我們的母親。不幸的是 ,她愛上了我們,甩掉了我們的父親。我們會如同《回到未來》中的描述那樣消失嗎 ?根據(jù)世界線來看 ,這種情形不可能發(fā)生。當(dāng)我們消失時(shí) ,我們的世界線因此而消失。然而 ,根據(jù)愛因斯坦的相對論 ,世界線不能被切斷。因此 ,在相對論中改變過去是不可能的。

然而 ,第二個(gè)悖論涉及重新創(chuàng)作過去 ,它提出了許多有趣的問題。例如,我們讓時(shí)間倒流 ,是為了去履行 (重復(fù) )這段歷史 ,而不是修改它。因此 ,時(shí)間機(jī)器發(fā)明者的世界線就成為了一個(gè)封閉的環(huán)。他的世界線是履行過去 ,而不是改變過去。

更復(fù)雜的是 “簡”的世界線 ,她是自己的母親和父親 ,也是自己的兒子和女兒 (圖11.2)。

圖11.2如果時(shí)間旅行是可能的 ,我們的世界線將變成一個(gè)閉合的環(huán)。1945年,女孩簡出生。1963年,簡 (女)有了自己的孩子。1970年,簡 (男)以流浪漢的身份回到 1945年與自己 (女)相遇。1985年,簡 (男)是一個(gè)時(shí)間旅行者 ,他于 1970年在一個(gè)酒吧中登上了時(shí)間機(jī)器 ,將自己帶回到 1945年。他拐走這個(gè)小孩 (女嬰 ),并將她帶回到 1945年,使所有的一切重新開始。女孩簡是她自己的母親、父親、祖父、祖母、兒子和女兒等等。

請?jiān)俅巫⒁?,我們不能改變過去。當(dāng)我們的世界線逆時(shí)間返回時(shí) ,它只是簡單地履行早已被人們知道的歷史。因此 ,在這樣一個(gè)宇宙中 ,回到過去與年輕時(shí)的自己相遇是存在可能性的。假如我們的生活經(jīng)歷是環(huán)形的,那么 ,我們遲早會遇到一個(gè)年輕的男子或女子 ———我們年輕時(shí)的自己。我們會告訴這個(gè)年輕人 ,我們看起來很面熟。接下來 ,我們再次回憶,在自己還很年輕的時(shí)候 ,似乎確實(shí)遇上過一位聲稱我們看上去很面熟的奇怪老人。

因此 ,也許我們可以回到過去 ,但卻永遠(yuǎn)不能改變它。正如我們強(qiáng)調(diào)的,世界線不能切斷也不能結(jié)束。它們或許會在某段時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)環(huán) ,但它們永遠(yuǎn)不會改變過去。

然而 ,這些光錐圖只是在狹義相對論的框架中給出的 ,它雖然可以描述我們進(jìn)入過去將要發(fā)生的事件 ,但它畢竟太簡單了 ,不能解決時(shí)間旅行是否有意義這個(gè)問題。要回答這個(gè)問題 ,我們必須轉(zhuǎn)向廣義相對論。在廣義相對論中 ,情況將變得更加微妙。

廣義相對論是解決問題的有力工具 ,我們用它弄清了這些互相纏繞的世界線在物理學(xué)上是允許存在的。這些封閉的圓環(huán)有一個(gè)科學(xué)名稱 ———封閉類時(shí)曲線 (CTC)。但在當(dāng)今的科學(xué)界仍存在一個(gè)爭議 :廣義相對論和量子理論到底允許還是不允許封閉類時(shí)曲線。

算術(shù)和廣義相對論的攪局者

1949年,愛因斯坦非常關(guān)注他的一個(gè)親密的同事和朋友 ,維也納數(shù)學(xué)家?guī)鞝柼?·高德爾 (KurtG.del)的發(fā)現(xiàn)。這個(gè)數(shù)學(xué)家也在愛因斯坦工作的普林斯頓高等研究院工作。高德爾發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦方程的一個(gè)干擾解 ,這個(gè)解允許破壞公認(rèn)的基本信條 ———允許某種形式的時(shí)間旅行。高德爾首次為時(shí)間旅行建立了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

在長達(dá)四分之一個(gè)世紀(jì)中 ,高德爾以攪局者的角色而出名。1931年,與人們的期待相反 ,他竟然證明了你不能證明算術(shù)的自洽性 ,從而聞名于世 (實(shí)際上是臭名昭著)。在他的證明過程中 ,他摧毀了自歐幾里得和古希臘人開始至今已有 2000年之久的夢想。這個(gè)夢想即是使數(shù)學(xué)變得盡善盡美 ,將全部的數(shù)學(xué)簡化成少數(shù)的幾條自洽的公理 ,任何數(shù)學(xué)結(jié)果皆可由 它們導(dǎo)出。

高德爾在《在數(shù)學(xué)的絕技》中提出 ,在算術(shù)中總存在一些定理 ,它們的正確與否 ,永遠(yuǎn)不能從算術(shù)公理中得到證明。即,算術(shù)總是不完備的。高德爾所得出的結(jié)論 ,或許是 1000年來數(shù)理邏輯領(lǐng)域最驚人的最出乎意料的進(jìn)展。

數(shù)學(xué)一度被認(rèn)為是所有學(xué)科中最純潔的 ,因?yàn)樗蔷_的和確定的。它還沒有被我們這個(gè)物質(zhì)世界所具有的令人生厭的粗俗所玷污 ,但是現(xiàn)在,它變得不那么確定了。在高德爾出現(xiàn)之后 ,數(shù)學(xué)的基石似乎被動搖了。(粗略來說 ,高德爾著名的證明始于在邏輯上存在一個(gè)奇特的悖論的證明。例如 ,考慮這樣一個(gè)陳述 ,“這個(gè)句子是錯(cuò)誤的 ”。如果這個(gè)句子是正確的 ,必然導(dǎo)出這個(gè)句子是錯(cuò)誤的結(jié)論 ;如果這個(gè)句子是錯(cuò)誤的 ,又會導(dǎo)出這個(gè)句子是正確的結(jié)論。又或者 ,我們考慮另一個(gè)陳述 ,“我是一個(gè)說謊者 ”。那么 ,只有當(dāng)我說真話時(shí) ,我才是一個(gè)說謊者。高德爾隨后將這一陳述歸納為 “這個(gè)句子不能被證明是正確的 ”。如果這個(gè)句子正確 ,那么,它就不能被證明是正確的。通過構(gòu)建由這種悖論組成的復(fù)雜騙局 ,高德爾證明 ,數(shù)學(xué)中存在一些正確的但不能用算術(shù)來證明的命題。)高德爾毀滅了一個(gè)夢 ,一個(gè)所有數(shù)學(xué)家最珍視的夢。在此之后 ,哥德爾又粉碎了圍繞愛因斯坦方程所凝結(jié)的傳統(tǒng)智慧。他指出 ,愛因斯坦的理論含有一些令人吃驚的病態(tài)結(jié)果 ,其中包括時(shí)間旅行。

他首先假設(shè)宇宙充滿了緩慢旋轉(zhuǎn)的氣體或塵埃。這似乎是合理的 ,因?yàn)閺V袤的宇宙的確像是充滿了氣體和塵埃。然而 ,哥德爾的解引起人們的巨大關(guān)注是出于如下兩個(gè)原因。

首先 ,他的解破壞了馬赫原理。他證明了愛因斯坦方程的兩個(gè)解有相同的塵埃和氣體分布存在可能性。(這意味著馬赫原則是不完整的 ,即還存在隱含的假設(shè)。)更重要的是 ,他證明了某些形式的時(shí)間旅行是允許的。如果一個(gè)粒子追尋哥德爾宇宙中的路徑旅行 ,它最終會返回到過去并與自己相遇。他寫道:“一艘火箭船 ,沿著范圍足夠大的曲線作環(huán)形旅行 ,就可能旅行到過去、現(xiàn)在和未來的任何區(qū)域 ,然后再返回?！币虼?,哥德爾找到了廣義相對論中的第一個(gè)封閉類時(shí)曲線。

以前 ,牛頓認(rèn)為時(shí)間就像一支箭 ,準(zhǔn)確無誤地飛向目標(biāo)。這支箭一旦射出 ,沒有任何東西可以改變它的路線。之后 ,愛因斯坦認(rèn)為時(shí)間更像一 條強(qiáng)大的河流 ,在前進(jìn)的路途中蜿蜒通過扭曲的山谷和平原。物質(zhì)或能量的存在也許會改變河流的方向 ,但河道總體是光滑的 :它決不會突然中斷,也不會猛地回頭。現(xiàn)在 ,哥德爾認(rèn)為時(shí)間的河流能順利向后彎曲成一個(gè)環(huán) (圓圈)。河流畢竟有急流和漩渦。河流在總體上總是向前流動 ,但在邊上就不一樣了。河流的邊上總有一些渦流 ,在這里 ,水以旋轉(zhuǎn)的方式流動。

哥德爾的解不能被看作一個(gè)瘋子的工作 ,因?yàn)楦绲聽柺怯脨垡蛩固棺约旱膱龇匠贪l(fā)現(xiàn)了時(shí)間彎成一個(gè)圓圈的奇異解。哥德爾是按規(guī)則辦事發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦方程的一個(gè)合理解 ,故而 ,愛因斯坦被迫采取了回避的方式放棄這個(gè)解。因?yàn)樗c實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符合。

哥德爾的宇宙的弱點(diǎn)是假設(shè)宇宙中的氣體和塵埃慢慢旋轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)上 ,我們看不到宇宙塵埃和氣體在太空中的任何旋轉(zhuǎn)。我們的儀器已證實(shí)宇宙正在膨脹 ,但它似乎并未旋轉(zhuǎn)。因此 ,哥德爾的宇宙可以安全地排除。 (這讓我們非常掃興。我們的宇宙如真似哥德爾猜測的那樣在旋轉(zhuǎn) ,我們就可以樂觀地相信 ,時(shí)間旅行是具有可行性的。)愛因斯坦在 1955年去世了 ,他的方程的干擾解由于不能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證被拋棄了 ,并且 ,人們也無法遇見他們出生之前的父母。

生活在暮色地帶

1963年,斯拉 ·紐曼 (Ezra Newman)、西奧多 ·昂蒂 (Theodore Unti),和路易斯 ·坦布雷諾 (LouisTamburino)發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦方程的一個(gè)新解。這個(gè)新解比哥德爾的解更瘋狂 ,這個(gè)解并非建立在哥德爾的旋轉(zhuǎn)的充滿塵埃的宇宙上。從表面上看 ,它像一個(gè)典型的黑洞。

與哥德爾的解一樣 ,他們的宇宙允許封閉類時(shí)曲線和時(shí)間旅行。此外,當(dāng)你在黑洞周圍作 360度旋轉(zhuǎn) ,不會轉(zhuǎn)到你最初的位置。相反 ,就像居住在一個(gè)有著黎曼切口的宇宙 ,你會被卷到另一片宇宙中。紐曼 -昂蒂 -坦布雷諾宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ,可以比作居室中螺旋形的樓梯。如果我們繞樓梯旋轉(zhuǎn) 360度,我們不會到達(dá)出發(fā)點(diǎn) ,而是抵達(dá)了另一階樓梯上。生活在這樣的宇宙中超出了我們所能想象的最壞的噩夢 ,我們所掌握的常識完全失去了作用。事實(shí)上 ,這個(gè)奇異宇宙的病態(tài)是如此之鮮明 ,以至于很快就 出現(xiàn)了這樣一個(gè)名稱 :NUT宇宙 (NUT以紐曼、昂蒂、坦布雷諾三人名字的首字母命名)。

起初 ,相對論者以他們排斥哥德爾解那樣的方式排斥 NUT解。也就是說 ,我們的宇宙并非按照這樣的解的形式在進(jìn)行演化。因此 ,這些解由于缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證而被武斷地拋棄了。然而 ,幾十年過去了 ,愛因斯坦方程的此類奇異解大量涌現(xiàn)而出 ,且它們允許時(shí)間旅行。20世紀(jì) 70年代初 ,新奧爾良杜蘭大學(xué)的法蘭克 ·J.蒂普勒 (FrankJ.Tipler)重新分析了愛因斯坦方程的一個(gè)在哥德爾之前由 W.J.范 ·斯托庫姆 (W.J.van Stockum)于1936年發(fā)現(xiàn)的解。這個(gè)解假定存在一個(gè)無限長的、旋轉(zhuǎn)的圓筒。使人們吃驚的是 ,蒂普勒能夠證明此解也違反了因果關(guān)系。

即使是克爾的解 (它代表了外層空間的黑洞的最現(xiàn)實(shí)的物理描述 ),也被證明允許時(shí)間旅行?；鸺┻^克爾黑洞的中心 (假設(shè)它們并未在這個(gè)過程中被粉碎 ),因果關(guān)系將會遭到破壞。

不久 ,物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn) ,NUT型奇點(diǎn)可以被插入任何黑洞或膨脹的宇宙中。事實(shí)上 ,編造無窮多個(gè)愛因斯坦方程的病態(tài)解已成為可能。例如,愛因斯坦方程的每一個(gè)蟲洞都可以被證明允許某些形式的時(shí)間旅行存在。

根據(jù)相對論者蒂普勒的分析 ,“表現(xiàn)出任何一種奇異行為的場方程的解都可以被找到 ”。因此 ,被發(fā)現(xiàn)的迅猛增長的愛因斯坦方程的病態(tài)解一定會嚇壞愛因斯坦 ,如果他還活著的話。

從某種意義上說 ,愛因斯坦方程就像特洛伊木馬。表面上看 ,這種木馬像一件完美的可接收的禮物。它告訴我們 ,在引力場下恒星發(fā)出的光是彎曲的 ,且這種彎曲現(xiàn)象是可以觀測的 ,它還對宇宙的起源給出了令人信服的解釋。但是 ,各樣的魔鬼和妖怪都潛伏在里面 ,它們允許穿越蟲洞的星際旅行和時(shí)間旅行成為可能。為了窺視最深奧的宇宙秘密 ,我們不得不放棄我們通常持有的信仰 ———我們的世界其空間是單連通的 ,歷史是不可更改的。

但問題仍然存在 :這些封閉類時(shí)曲線可以像愛因斯坦所做的那樣 ,根據(jù)純粹的實(shí)驗(yàn)依據(jù)予以排除嗎 ?或者 ,有人能證明他們在理論上是可能的,并在實(shí)際上建造一個(gè)時(shí)間機(jī)器嗎 ?

建造時(shí)間機(jī)器

1988年6月,三名物理學(xué)家,即加州理工大學(xué)的基普 ·索恩 (KipThorne)、邁克爾·莫里斯 (MichaelMoris)、密歇根大學(xué)的烏爾維 ·爾特塞韋爾 (UlviYurtsever),首次提出了建造時(shí)間機(jī)器的認(rèn)真的建議。尤他們讓《物理評論快報(bào)》(世界上最著名的刊物之一)的編輯相信他們的工作應(yīng)該受到重視。(在過去的幾十年中,眾多的提交給主流物理雜志的有關(guān)時(shí)間旅行的投稿都遭到了拒絕,因?yàn)樗麄儾⒎墙⒃谧钪匾奈锢碓砘驉垡蛩固沟姆匠躺稀?他們像訓(xùn)練有素的科學(xué)家一樣,用易于被接受的場論語言提出了他們的觀點(diǎn)。接著,又認(rèn)真細(xì)致地解釋了他們最薄弱的假設(shè)出現(xiàn)在什么地方。

為排除科學(xué)界的質(zhì)疑,索恩和他的同事們意識到他們必須利用蟲洞作為時(shí)間機(jī)器的主要證據(jù)戰(zhàn)勝普遍的反對派。第一,如前所述,愛因斯坦自己也意識到黑洞中心的引力是巨大的,通過黑洞的任何飛船將被撕裂。雖然,蟲洞在數(shù)學(xué)上是可能的,但他們在實(shí)踐中卻是無用的。

第二,蟲洞可能是不穩(wěn)定的。現(xiàn)在已能證明,蟲洞中的小擾動會導(dǎo)致愛因斯坦-羅森橋的坍塌。因此,宇宙飛船在黑洞內(nèi)出現(xiàn)會引起擾動,會導(dǎo)致蟲洞入口的關(guān)閉。

第三,宇宙飛船的速度必須大大地超過光速,才能穿透到蟲洞到另一邊。

第四,量子效應(yīng)是如此之大以至于蟲洞可能會自行關(guān)閉。例如,黑洞入口發(fā)出的強(qiáng)烈輻射不僅會殺死任何試圖進(jìn)入黑洞的人,而且可能會導(dǎo)致入口的關(guān)閉。

第五,在蟲洞中時(shí)間會逐漸慢下來,在中心區(qū)域趨向于完全停止。因此,在地球上的人看來,蟲洞具有許多不受歡迎的特點(diǎn)。空間旅行者的速度似乎慢了下來,并在黑洞的中心變成徹底靜止?？臻g旅行者看起來就像被時(shí)間凍結(jié)了。換句話說,空間旅行者需要無限長的時(shí)間才能穿越蟲洞。我們假設(shè)自己能夠成功穿越蟲洞的中心并返回地球,但受限于巨大的時(shí)間扭曲,我們回到地球上的時(shí)間可能已經(jīng)過去了數(shù)百萬年,甚至數(shù)十億年。

因?yàn)樯鲜龅倪@些理由的存在,蟲洞解從未被嚴(yán)肅采納過。

索恩是一位嚴(yán)肅的宇宙學(xué)家 ,但他并未以通常的宇宙學(xué)家持有的態(tài)度極度懷疑甚至嘲笑時(shí)間機(jī)器。索恩逐漸以好奇的方式卷入了這個(gè)問題。 1985年夏天 ,卡爾 ·薩根將他下一本書《接觸》出版前的草案發(fā)給索恩。該書認(rèn)真探討了一個(gè)劃時(shí)代的科學(xué)與政治問題 :與外層空間的第一個(gè)地外生命的接觸。每個(gè)思考外太空生命問題的科學(xué)家都必須面對一個(gè)問題 ———如何打破光障。由于愛因斯坦的狹義相對論明確禁止超過光速 ,故而 ,一個(gè)常規(guī)的飛船飛往遙遠(yuǎn)的恒星可能需要數(shù)千年。這使得星際旅行變得不切實(shí)際。薩根希望自己的書盡可能科學(xué)準(zhǔn)確 ,他寫信給索恩詢問是否有任何科學(xué)可以接受的方式規(guī)避光障。

薩根的要求引起了索恩的好奇心。這是一個(gè)由一位科學(xué)家向另一位科學(xué)家提出的 ,要求嚴(yán)肅回答的誠實(shí)的與科學(xué)相關(guān)的要求。幸運(yùn)的是 ,由于請求的非正統(tǒng)性 ,索恩和他的同事們用一種最不尋常的方式處理這個(gè)問題:反向工作。通常情況下 ,物理學(xué)家們從某個(gè)已知的天體 (中子星、黑洞、大爆炸 )開始 ,然后求解愛因斯坦方程找到周圍空間曲率。我們記得,愛因斯坦的方程本質(zhì)是一個(gè)物體的物質(zhì)和能量含量決定周圍空間曲率。用上述方法處理 ,我們保證能找到有關(guān)天體的愛因斯坦方程的解 ,而這些天體正是我們期望在外層空間里找到的。

由于薩根的奇特要求 ,索恩和他的同事們反向處理這個(gè)問題。他們從他們想找到什么這個(gè)初步的想法開始 ,試圖得到一個(gè)愛因斯坦方程的解 ,使得空間旅行者不會被巨大的引力場的潮汐效應(yīng)撕開。他們希望得到一個(gè)穩(wěn)定的蟲洞 ,這個(gè)蟲洞不會在旅行中突然關(guān)閉。他們繞蟲洞走一圈所花的時(shí)間只是幾天 ,而不是數(shù)百萬或數(shù)十億地球年。事實(shí)上 ,他們的指導(dǎo)思想是,他們希望時(shí)間旅行者進(jìn)入蟲洞一段時(shí)間后 ,可以合理地安全返航。一旦他們確定了蟲洞應(yīng)該是什么樣子的 ,接下來所要做的就是 ,開始計(jì)算創(chuàng)造這樣一個(gè)蟲洞到底需要多少能量。

從他們的非正統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā) ,他們并不關(guān)心能量的需求是否超過了 20世紀(jì)的科學(xué)所能提供的極限。對他們來說 ,建造時(shí)間機(jī)器實(shí)際上是未來文明的一個(gè)工程問題。他們想證明的是時(shí)間機(jī)器在科學(xué)上是可行的 ,而不需要證明時(shí)間機(jī)器是經(jīng)濟(jì)的或者用目前地球上的科學(xué)就能辦到的 :

通常 ,理論物理學(xué)家會問 ,“物理定律是什么 ?”或者 “這些定律對宇宙的預(yù)言是什么 ?”與此相反 ,在這封信里我要問的是 ,“物理定 律對非常先進(jìn)的文明的活動有什么限制 ?”這個(gè)問題會引發(fā)一些有關(guān)物理定律本身很有意思的疑問。我們從這樣一個(gè)問題開始 ,即物理定律是否會限制一個(gè)非常先進(jìn)的文明為星際旅行制造蟲洞并維護(hù)它的運(yùn)行。

當(dāng)然關(guān)鍵的短語是 “非常先進(jìn)的文明 ”。物理定律告訴我們什么可能而不是什么可行。物理定律與檢驗(yàn)它們所花的錢并無關(guān)系。因此 ,理論上可能的東西也許會超過地球上的國民生產(chǎn)總值。索恩和他的同事們謹(jǐn)慎地指出 ,能夠掌握并利用蟲洞威力的神秘的文明必須是 “非常先進(jìn)的 ”。也就是說 ,這個(gè)文明能夠進(jìn)行所有的實(shí)驗(yàn) (即使這些實(shí)驗(yàn)對地球人是不切實(shí)際的)。

使他們異常高興的是 ,他們很快就非常容易地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人吃驚的簡單的解 ,這個(gè)解滿足所有的剛性約束。這個(gè)解 ,并非典型的黑洞解 ,所以不必?fù)?dān)心被這個(gè)坍縮的恒星撕裂。他們將這個(gè)解命名為 “可穿越蟲洞 ”,以區(qū)別于其他的宇宙飛船不能穿越的蟲洞解。他們非常興奮 ,并給薩根回信。薩根隨后將他們的一些想法寫進(jìn)了自己的小說。事實(shí)上 ,他們是如此驚訝于這個(gè)解的簡單 ,以至于相信哪怕是新入學(xué)的物理學(xué)研究生也能理解他們的解。1985年秋 ,在加州理工學(xué)院進(jìn)行的廣義相對論課程的期終考試中,索恩將這個(gè)蟲洞解給了學(xué)生們。索恩并未告訴學(xué)生們這是什么 ,他要求學(xué)生們推斷這個(gè)解的物理性能。(大多數(shù)學(xué)生給出了這個(gè)解的詳細(xì)的數(shù)學(xué)分析 ,但他們并未意識到這個(gè)解是一個(gè)允許時(shí)間旅行的解。)如果學(xué)生可以在期終考試中具有更敏銳一點(diǎn)的觀察力 ,他們就能推導(dǎo)出蟲洞的一些驚人的性能。事實(shí)上 ,他們會發(fā)現(xiàn)穿越這個(gè)可穿越蟲洞的旅行就如飛機(jī)旅行那般舒適。旅行者所經(jīng)受的最大引力不超過 1個(gè)重力加速度。換句話說 ,他們的表觀重量不會超過他們在地球上的重量。此外 ,旅行者將永不必?fù)?dān)心自己在旅行期間蟲洞的入口會關(guān)閉。索恩的 “蟲洞 ”實(shí)際上是永久開放的。穿越一個(gè)可穿越的蟲洞的旅行是可控制的 ,而不再需要花費(fèi) 100萬年或者 10億地球年時(shí)間。莫里斯和索恩寫到 ,“旅行將是完全舒適的 ,旅行所需的時(shí)間大約在 200天,或者更少 ”。

至此 ,索恩指出 ,在電影中人們通常遇到的時(shí)間悖論將不復(fù)存在 : 在“科幻場景 (例如 ,一個(gè)人回到過去殺死自己 )中,人們也許希望封閉類時(shí)曲線能夠生成多重性為零的初始軌道 ”(即那些不可能的軌道)。然而 ,索恩已經(jīng)證明 ,出現(xiàn)在他的蟲洞中的封閉類時(shí)曲線看起來完全能填充過去,而不是改變過去或者引起時(shí)間悖論。在最終把這些令人吃驚的結(jié)果提供給科學(xué)界后 ,索恩寫道 ,“愛因斯坦場方程的一個(gè)新解已經(jīng)獲得 ,它描述了在原則上可被人類穿越的蟲洞 ”。

當(dāng)然 ,它的實(shí)現(xiàn)還存在一個(gè)難題 ,這也是為什么我們今天還沒建造出時(shí)間機(jī)器的一個(gè)理由。索恩計(jì)算中的最后一步 ,是推導(dǎo)為產(chǎn)生這個(gè)不可思議的、可穿越的蟲洞所必需的物質(zhì)和能量的確切性質(zhì)。索恩和他的同事們發(fā)現(xiàn) ,在蟲洞的中心必須存在具有反常性質(zhì)的 “奇異的 ”物質(zhì)形態(tài)。索恩很快指出 ,這個(gè) “奇異的 ”物質(zhì)形態(tài)雖然反常 ,但似乎并未違反任何已知的物理定律。他預(yù)示說 ,在未來的某一時(shí)刻 ,科學(xué)家可能會證明這種 “奇異的 ”物質(zhì)不存在。然而現(xiàn)在 ,這個(gè) “奇異的 ”物質(zhì)似乎是完全可以接受的物質(zhì)形式 ,只要我們獲取了足夠先進(jìn)的技術(shù)。索恩自信地寫道 ,“一個(gè) ‘非常先進(jìn)的 ’文明可以從簡單的蟲洞建造出逆時(shí)間旅行的機(jī)器 ”。

時(shí)間機(jī)器的藍(lán)圖

然而 ,凡讀過赫伯特 ·喬治 ·威爾斯的小說《時(shí)間機(jī)器》的人 ,可能都會對索恩的時(shí)間機(jī)器的藍(lán)圖失望。你并不能坐在客廳的椅子上 ,撥動幾下轉(zhuǎn)盤 ,就能通過閃爍的燈光目睹歷史大跨度變化的全景圖。包括 :毀滅性的世界大戰(zhàn)、偉大的文明興衰 ,或未來科學(xué)奇跡的成果。

一個(gè)版本的索恩時(shí)間機(jī)器由兩個(gè)房間組成 ,每個(gè)房間都包含兩塊平行的金屬板。每對金屬板之間產(chǎn)生的強(qiáng)大電場 (大于任何由今天的技術(shù)可能產(chǎn)生的電場 )撕裂時(shí)空的織構(gòu) ,并同時(shí)產(chǎn)生了在空間中連接兩個(gè)房間的一個(gè)洞。然后 ,將其中一個(gè)房間放入火箭船里并加速到接近光速的行駛速度,而另一個(gè)房間留在地球上。由于蟲洞可以連接不同時(shí)間的兩個(gè)空間區(qū)域,因此 ,第一個(gè)房間中的時(shí)鐘比第二個(gè)房間中的時(shí)鐘走得慢。因?yàn)?,在蟲洞的兩端 ,時(shí)間通過的速率不同 ,任何落入蟲洞某一端的人會被立刻拋到過去或未來。

另一個(gè)版本的索恩時(shí)間機(jī)器如下所述。如果能找到 “奇異的 ”物質(zhì)可以像金屬那樣可塑 ,那么 ,最理想的形狀想來應(yīng)該是圓筒形。一個(gè)人站在圓筒的中心。接著 ,這個(gè) “奇異的 ”物質(zhì)就會使它周圍的空間和時(shí)間彎 曲,產(chǎn)生一個(gè)蟲洞。這個(gè)蟲洞通往宇宙中處于不同時(shí)間的另一個(gè)遙遠(yuǎn)的地方。在渦流的中心那個(gè)人,在他或她被吸進(jìn)蟲洞并到達(dá)宇宙的另一端所受到的加速度不超過1個(gè)重力加速度。

表面上看,索恩的數(shù)學(xué)推理無懈可擊。愛因斯坦方程的蟲洞解的確允許在蟲洞兩邊的時(shí)間以不同的速率回到過去,所以,原則上時(shí)間旅行是可能的。當(dāng)然,前提是首先創(chuàng)造蟲洞。索恩和他的合作者很快指出,主要問題是,如何控制足夠的能量以制造并維持一個(gè)含有 “奇異的 ”物質(zhì)的蟲洞。

通常,物理的基本原理之一是所有的物體都有正能量。振動分子、汽車、飛鳥和火箭都有正能量。(按照定義,空無一物的真空空間所具有的能量為零。)但是,如果我們可以生產(chǎn)具有 “負(fù)能量”的物體 (即所含能量比真空還要低的物質(zhì)),那么,也許我們能產(chǎn)生一種 “奇異的”空間和時(shí)間的組態(tài),將時(shí)間彎曲成一個(gè)圈。

這個(gè)簡單的概念,竟有一個(gè)聽起來相當(dāng)復(fù)雜的標(biāo)題:平均弱能量條件 (AWEC)。正如索恩謹(jǐn)慎指出的,為了時(shí)間旅行可以成功,必須違反平均弱能量條件,能量必須暫時(shí)變?yōu)樨?fù)能量。然而,負(fù)能量一直遭到相對論專家的反對。他們認(rèn)為,負(fù)能量會使反引力和許多實(shí)驗(yàn)中從未有過的其他現(xiàn)象成為可能。

但索恩很快指出,通過量子理論可以獲得負(fù)能量。1948年,荷蘭物理學(xué)家亨里克·卡西米爾 (HenrikCasimir)證明了量子理論可以產(chǎn)生負(fù)能量:只要取兩塊大的、不帶電的金屬平板就可以做到。通常情況下,常識告訴我們:因?yàn)閮蓧K平板是電中性的,所以它們之間沒有作用力。但卡西米爾證明,因?yàn)楹Ｉさ臏y不準(zhǔn)原理,隔開這兩塊平板的真空實(shí)際上是異常活躍的,數(shù)以萬億計(jì)的粒子和反粒子不斷產(chǎn)生和消失。它們不知是從何處跑出,又無聲無息地消失在真空中。因?yàn)樗鼈冝D(zhuǎn)瞬即逝,所以在大多數(shù)情況下難以觀察到它們,它們并不違反任何物理定律。這些 “虛粒子”在兩塊平板之間產(chǎn)生凈吸引力,卡西米爾預(yù)言這種吸引力能夠被測量到。

當(dāng)卡西米爾發(fā)表他的論文時(shí),它受到了嚴(yán)重的質(zhì)疑。畢竟,兩個(gè)電中性的物體如何會互相吸引,這違反了經(jīng)典電學(xué)的普遍規(guī)律。這是聞所未聞的。然而,1958年,物理學(xué)家 M.J.斯派納 (M.J.Sparnay)在實(shí)驗(yàn)室觀察到這種效應(yīng),正像卡西米爾預(yù)言的那樣。此后,這種效應(yīng)被命名為卡西米爾效應(yīng)。

利用卡西米爾效應(yīng)的一種方法 ,就是將兩塊大的導(dǎo)電平行板放在每個(gè)蟲洞的入口處 ,從而在蟲洞的各端產(chǎn)生負(fù)能量。索恩和他的同事們得出結(jié)論,“平均弱能量條件永遠(yuǎn)不能違背。在這種情況下 ,可能不存在諸如可穿越蟲洞、時(shí)間旅行、因果關(guān)系失敗這樣的事情。在沒有到達(dá)一個(gè)橋的時(shí)候,就試圖過橋顯然為時(shí)過早?！?/p>

現(xiàn)在 ,對索恩的時(shí)間機(jī)器的評判尚無定論。所有人都承認(rèn) ,決定性因素是無論何時(shí)都需要一種完全量子化的引力理論來徹底解決問題。例如 ,史蒂芬 ·霍金指出 ,蟲洞入口處發(fā)射出的輻射非常大 ,它們將與愛因斯坦方程的物質(zhì)和能量含量相抵消。這種向愛因斯坦方程的反饋將使蟲洞的入口發(fā)生畸變 ,甚至可能將它永遠(yuǎn)關(guān)閉。但是 ,索恩不同意霍金提出的輻射足以關(guān)閉蟲洞入口的觀點(diǎn)。

故而 ,超弦理論誕生了。因?yàn)槌依碚撌峭耆牧孔恿W(xué)理論 ,它將愛因斯坦的廣義相對論作為一個(gè)子集包含其中 ,它可以用來計(jì)算對原始蟲洞理論的修正。原則上 ,它將允許我們確定平均弱能量條件在物理上是否可以實(shí)現(xiàn) ,以及蟲洞入口是否能保持開放以讓時(shí)間旅行者享受回到過去的旅行。

霍金對索恩蟲洞持保留看法。然而 ,具有諷刺意味的是 ,霍金也提出了一個(gè)甚至比索恩蟲洞更異想天開的新的蟲洞理論?；艚鹛岢龅南x洞理論并非將過去與現(xiàn)在相連接 ,他提出的蟲洞將我們的宇宙和無數(shù)個(gè)平行宇宙連接起來。