蟲洞、黑洞和時間機器

翻譯/楊孝文

大家好，我是斯蒂芬·霍金，是物理學家、宇宙 學家，也是夢想家，盡管身體不能活動，只能通過電腦與大家交流，但我的內(nèi)心是自由的，自由地探索宇宙并探究那些終極謎題，比如：時間旅行是否可行？能否打開一個回到過去的通道，或找到通向未來的捷徑？我們最終能否利用自然法則掌控時間？

在科學界，時間旅行一度被認為是胡說八道。過去因為擔心有人會把胡說八道的標簽貼在自己身上，我一直對這個問題避而不談。但現(xiàn)在，我不再那么謹小慎微了。事實上，我更像是建造了巨石陣的那些人。我對時間癡迷已久，如果有一臺時間機器，我會去拜訪風華正茂的瑪麗蓮·夢露，或是造訪將望遠鏡轉(zhuǎn)向宇宙的伽利略。我可能還會前往宇宙的末日看看整個宇宙將如何終結(jié)。

為了讓這一切從虛幻變成現(xiàn)實，我們應從物理學家的角度來重新審視時間，即第四維。這個問題沒有聽上去那么晦澀難懂。每個好學的孩子都知道，任何物體都以三維形式存在，包括坐在輪椅上的我。一切物體都有寬度、高度和長度。此外，還有一個維度——時間。一個人能活80歲，但巨石陣的石頭卻數(shù)千年屹立不倒，太陽系的運行更將持續(xù)數(shù)十億年。

一切物體都有時間和空間的長度。時間旅行意味著我們要經(jīng)過第四維。為了讓大家更直觀地理解這一點，我將用一項日?；顒觼砼e例說明，比如開車。我們開車沿直線行駛，是在一維中旅行，向左轉(zhuǎn)或是向右轉(zhuǎn)，則是二維旅行，驅(qū)車上下山路意味著又增加了高度，是在三維空間內(nèi)旅行。

那么，我們怎樣才能實現(xiàn)時間旅行？怎樣才能發(fā)現(xiàn)穿越第四維的通道呢？

讓我們暫時從科幻電影中尋找答案吧。在此類電影中，通常會有一臺巨大而高能耗的時間機器，這臺機器可以穿越在第四維旅行的通道——“時光隧道”。時光旅行者——勇敢但可能有些魯莽的人，做好我們大家所知道的準備，然后走進時光隧道，來到一個他們想要到達的時間。這一概念可能有些牽強，事實可能與之存在著天壤之別，但該想法本身不是那么的瘋狂。

物理學家們也在思考時光隧道，但我們的角度不同。我們想搞清，依照自然法則，聯(lián)通過去和未來的通道有沒有可能存在。事實證明，這是有可能的。而且，我們還給它們起了一個名字：蟲洞。其實，蟲洞無處不在，只是因為太小，我們?nèi)庋劭床坏搅T了。蟲洞非常小，存在于時空的隱蔽處和縫隙里。你或許認為這是難以理解，請耐心聽我繼續(xù)解釋吧。

任何物質(zhì)都不是完全平滑和無縫隙的，如果仔細觀察，會發(fā)現(xiàn)它們上面都存在小孔和裂縫，這是一個基本的物理原理，同樣適用于時間。即便是像臺球一樣的東西，上面也有裂縫、褶皺或空洞。相信我，這一原理同樣適用于第四維。時間也存在許多微小的裂縫、褶皺和空洞。在最小的刻度下——比分子甚至原子都小，我們來到一個稱為量子泡沫（quantum foam）的地方，這是蟲洞存在之處。

時空中的微小隧道或捷徑不停地在這個量子世界中形成、消失和重新形成。它們可以連接兩個隔離的空間以及兩個不同的時間。不幸的是，現(xiàn)實生活中，這種時光隧道非常狹小，即使發(fā)現(xiàn)了它們，我們也不能從這個縫隙穿過——可這正是“蟲洞時間機器”概念的前進方向。部分科學家認為，或許可以捕捉到一個蟲洞，將它放大數(shù)萬億倍，令其足夠大，能讓人甚至飛船進入。

如果我們擁有足夠的能量和先進的技術(shù)，將來或許甚至能在太空中建造一個巨型蟲洞——我并不是說一定可以做到，但如果真的有這種裝置，那么確實很了不起——一端在地球附近，另一端則在遙遠的星球附近。從理論上講，蟲洞或時光隧道不僅能把我們帶到別的星球。如果蟲洞的兩端在同一個地方，且由時間而非距離分離，飛船就能在遙遠的過去和將來自由出入。或許恐龍會看到飛船降落的場景。

四維方式思考并不容易，蟲洞是一個令你絞盡腦汁才能明白的概念。我一直想做一個簡單的實驗，揭示人類通過蟲洞的時間旅行是否可行，或是現(xiàn)在，或是未來，我喜歡簡單的實驗和成功后的香檳酒。所以，我將自己最喜歡的兩件事情結(jié)合起來，探討時間旅行是否可行。

讓我們設想一下這樣的場景，我舉辦了一個為未來旅行者舉辦的歡迎宴會。因為希望得到一個驚喜，我沒有告訴別人。我寫了邀請函，注明了準確的時間和經(jīng)緯度坐標。我希望它能以這樣或那樣的形式存在數(shù)千年，然后被幾千年后的人收到，并未利用蟲洞時間機器來參加我的宴會，證明時間旅行將來是可行的。那么，在宴會正在舉行的時候，時間旅行貴賓應該隨時會降臨，五個或一個。但就在我說話的時候，仍沒有人到來，真是遺憾。我希望未來的“環(huán)球小姐”能踏進這扇門。這項實驗為何不奏效？一個原因可能是回到過去的時間旅行所存在的問題——我們稱之為悖論，一個眾所周知的問題。

探討悖論是一件很有趣的事情，最著名的悖論通常被稱為“祖父悖論”。

我有一個新的簡化版本——“瘋狂科學家”悖論。我不喜歡一些電影中將科學家刻畫得像個瘋子，但在這種情況下，確實如此。這個家伙決心建立一個悖論，即便付出生命代價在所不惜。他只要通過蟲洞來到一分鐘前的的世界就行。如果這位科學家回到一分鐘前后，向那個以前的自己開槍，會發(fā)生什么事情？他現(xiàn)在已經(jīng)一命嗚呼。那又是誰開的槍呢？這便是一個悖論，聽上去毫無意義。但這卻是那種讓宇宙學家做噩夢的狀況。這種時間機器會違反整個宇宙所遵循的基本規(guī)則。我認為一切皆有可能。如果真是如此，那么就沒有任何辦法阻止整個宇宙陷入混亂。所以，我認為有些事情總會發(fā)生，以阻止這種悖論，科學家永遠不會真是面對悖論。

蟲洞本身就是一個問題，我認為像這樣的蟲洞不能存在，原因就是“反饋”問題。如果你有到搖滾演唱會現(xiàn)場觀看演出的經(jīng)歷，你就會對那種尖利的噪音印象深刻，那就是“反饋”。引起“反饋”的原因很簡單，聲音進入麥克風，通過電線傳播，經(jīng)由擴音器放大；被放大的聲音再次被麥克風傳輸?shù)揭粝淅?，再一次放大……如此這般不斷循環(huán)，每次的聲音都比上一次更大。如果不阻止，這種“反饋”會破壞音響系統(tǒng)。

蟲洞也會遇到這種問題，只不過聲音換成了輻射。一旦蟲洞變大，大自然的輻射會進入其中，最終形成循環(huán)“反饋”，最終摧毀蟲洞。雖然微型蟲洞確實存在，也有可能在某一天不斷膨脹，但持續(xù)時間不會太長久，所以不能當做時間機器使用。這是沒人能前來參加我的晚宴的真正原因。任何通過蟲洞和其他方式回到過去的時間旅行或許都是不可能的，否則，悖論就會出現(xiàn)。

因此，很遺憾，回到過去的時間旅行應該永遠不會上演。對于尋找恐龍的人來說，這會令他們大失所望，但對于歷史學家而言，他們可以徹底解脫了。

不過故事并未到此結(jié)束。這并不意味著使所有的時間旅行不可行。我確實對時間旅行深信不疑，對通向未來的時間旅行更是如此。時間就像河流，我們每一個人仿佛是被時光的流動無情地卷走，時光也像河流一樣，在不同的地點，有不同速度，這是通向未來的“鑰匙”。

愛因斯坦最早提出了這一概念。他認為，世上應 該存在讓時間慢下來的地方，以及讓時間加速的地方。他絕對是正確的，證據(jù)恰恰就在我們的頭頂。這便是全球定位系統(tǒng)，簡稱GPS。

這個網(wǎng)絡由31顆繞地球軌道運行的人造衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星使衛(wèi)星導航成為可能，但它們同時也證明了時間在那里過得比地球表面上要快。這些衛(wèi)星上有非常精密的時鐘，但無論有多準，它們每天全都會走快三十億分之一秒，系統(tǒng)必須糾正這個誤差，否則這個誤差會影響整個系統(tǒng)，會令全球定位系統(tǒng)出現(xiàn)大約6英里（約合9.7公里）的誤差。你可以想象由此造成的后果。這個誤差正好證明時間在太空的運行速度比在地球上快，是地球的質(zhì)量造成了這種非同尋常的影響。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)會減緩時間運行速度，就像是河的下游流速回減慢一樣。物體越重，對時間的阻力越大。這種驚人的事實為通向未來的時間旅行開啟了大門。

我知道這個概念理解起來并不容易，現(xiàn)在我們來看個簡單的例子。

吉薩的大金字塔，它有4000多萬噸重，跟所有的重物一樣，它其實也在減緩著時間的流逝，雖然效果很不明顯，還不及地球的幾十億分之一，但如果把這種影響放大后再看你就會看到它的運作機理。

接近金字塔的地方，時間的流動就比其他地方稍微慢一些，如果金字塔附近的人看外面的世界會怎么樣呢？他們肯定會看到相反的情況，因為他們自身變慢了，而遠處的時間則相對變快了，這是金字塔的巨大質(zhì)量帶來的影響，這種畸變就為通往未來提供了可能性，要想實現(xiàn)時間旅行的話，我們需要一個質(zhì)量比金字塔大得多的物體，而我知道有這么個東西。

在銀河系中心，距離地球2.6萬光年遠的地方，有銀河系中最重的天體——一個質(zhì)量相當于400萬個太陽的超大質(zhì)量黑洞，它在自身引力作用下，被壓縮為一個點。物體距離這個超大質(zhì)量黑洞越近，遭遇的引力就越強，連光線都無法逃脫。這樣的超大質(zhì)量黑洞對時間具有顯著的影響，令時間減緩的速度遠遠超過銀河系中的任何物體。這使得它成為一臺“天生的時間機器”。

我常常在想，我們也許可以宇宙飛船圍繞它運行的方式來利用黑洞的這一特性，當然，我們首先要避免自己也被吸進去。我認為最好的方法就是飛到它邊緣外側(cè)不遠的地方，以免被吞沒，他們必須精確地設定好航向和速度，否則就再也回不來了，只要處理得當，飛船將會環(huán)繞黑洞，沿著一個直徑長達4800萬公里的圓形軌道運行。

飛船在這里比較安全，它的速度可以保證讓自己不會離黑洞越來越近，如果航空航天局從地球或者其他遠離黑洞的地方指揮這個任務，他們會看到飛船沿軌道運行一周要用16分鐘，但對于飛船上的勇敢者來說，因為距離黑洞很近，時間會因此變慢，這種變慢的效果將會比金字塔或是地球附近顯著得多。飛船上的時間流速只有其他地方的一半，本來16分鐘繞軌道一周，但在他們看來只用了8分鐘，飛船就這樣不斷飛行，而船員們所花的時間相比遠離黑洞的地方，只有一半而已，這時飛船和它的船員就在穿越時間了。

試想，他們繞著黑洞運行了5年，這就相當于其他地方的10年，他們回到地球時，原來的所有人都會比他們年長五歲，也就是說，飛船上的人將會回到未來的地球，他們的這次旅行不只是穿越了空間，還穿越了時間。

但這種方式可操作性并不強，不過和蟲洞相比更有優(yōu)勢，因為不會產(chǎn)生時間悖論，也不會在“輻射反饋”中自我毀滅，但十分地危險，黑洞距離我們太遠，也無法實現(xiàn)大跨度的時間旅行。幸運的是還有其他的方法可以穿越時間，而這也是我們最后一個，也是最可行的建造時間機器的方法。

但有一個極其簡單的方法可以實現(xiàn)，你只要以極高的速度運動就可以了。宇宙有一個極限速度，每秒29.9萬公里，也就是眾所周知的光速，任何東西都不可能超越這個速度。我知道這聽起來很奇怪，但相信我，這是科學領域中最確定的法則之一，信不信由你，只要接近光速運動就可以前往未來。

要解釋其中的原因，先讓我們構(gòu)想一個科幻小說里的交通運輸系統(tǒng)，想象一條圍繞地球修建的軌道上面跑著一列超高速列車，我們讓這列假想的列車盡可能接近光速，看看這如何能讓它成為一臺時間機器。不過，無論這列火車的動力有多強勁，它永遠也無法到達光速，因為物理學原理令其做不到這一點。假設它已經(jīng)接近了光速，現(xiàn)在非同尋常的事情發(fā)生了。列車上的時間相對于地球開始減緩，就如同靠近超大質(zhì)量黑洞一樣。列車上一切物體的活動都變慢。

那么，如果列車上有一個孩子順著火車前進的方向奔跑，那么，他的速度是不是就可以超過光速了？答案是否定的。自然規(guī)律會令列車上的時間減緩，使得這一幕永遠不會發(fā)生。這個孩子跑得再快，也不能打破極限速度。

想象一下這樣的場景：2050年1月1日，一列火車離開車站，繞地球一圈又一圈地運行，最終在2150年新年夜停下來。而旅客們只經(jīng)歷了一個星期的時間，因為車內(nèi)的時間流速非常緩慢，當他們走下列車時，會發(fā)現(xiàn)整個世界已經(jīng)與自己出發(fā)時完全不一樣了。他們用一周的時間就來到了100年后的世界。

當然，建造一列能達到這種速度的超高速火車的可能性微乎其微。不過，我們已經(jīng)在瑞士日內(nèi)瓦建造了世界最大的粒子加速器——大型強子對撞機。大型強子對撞機位于瑞士和法國交界處地下100米深處的一條總長16英里（約合25.75公里）的環(huán)形隧道內(nèi)，一旦開足馬力，這臺對撞機能在瞬間將粒子從零加速至每小時6萬英里（約合每小時9.7萬公里），直至它們能以每秒1.1萬圈的速度繞隧道運行，這時，速度將接近于光速。但是，就像是上面描述的那列火車一樣，它們永遠無法到達這一終極速度，最快只能達到光速的99.99%。此時，粒子流已經(jīng)可以開始時間旅行了，我們能確定這一點是因為有一種叫“π介子”的壽命極短的粒子。正常情況下，它們在250億分之一秒內(nèi)就會瓦解，但當它們達到接近光速時其壽命就延長了30倍，這些粒子是真正的時間旅行者。

情況的確就那么簡單，如果我們想踏上未來之旅，那么速度必須快。我認為實現(xiàn)這一目標的唯一途徑是進入太空。在人類歷史上，速度最快的載人飛船“阿波羅10號”，速度為每小時2.5萬英里（約合每小時4萬公里），但要實現(xiàn)在時間中旅行，我們的速度必須是“阿波羅10號”速度的2000倍。

按照這種思路，我們應該先制造一個巨大的飛船，里面可以裝載巨量燃料，令其加速至接近于光速。要讓飛船盡可能接近極限速度，即便是開足馬力也要用上6年的時間，最初的加速會比較緩慢，因為飛船實在太大太重，但此后它會慢慢提速，短時間內(nèi)就能飛出很遠的距離，一周后，它就會飛抵太陽系的帶外行星，比如巨大的氣態(tài)行星海王星，兩年之后，它會加速到光速的一半，而且已經(jīng)遠離太陽系了，再過兩年它就能夠達到光速的90%，并且經(jīng)過離我們最近的恒星系統(tǒng)人馬座阿爾法星系，大約離地球有48萬億公里，發(fā)射4年之后，飛船就開始了時間旅行，飛船上的一個小時就等于地球上的兩個小時，跟環(huán)繞巨型黑洞飛行的那艘飛船非常相似，但好戲還在后頭，再經(jīng)過兩年的全力加速，飛船將達到它的最高速度，也就是99%的光速，在這個速度下，飛船上的一天時間就等于地球上的一整年，我們的飛船將真正地飛向未來……-

時間變慢還有另外一個好處，那就是在理論上，我們可以在人的壽命范圍內(nèi)進行超長距離的旅行，飛往銀河系盡頭只需要80年的時間。但此次旅行最重要的地方在于它揭示了我們的宇宙是多么奇特，在宇宙的不同地方，時間流逝的速度都不盡相同。我們所知的最極端的物體巨型黑洞能夠讓時間和空間發(fā)生扭曲，而在這個宇宙中，微型的蟲洞又無處不在，在這里，最終只要我們能開發(fā)出適用的技術(shù)，我們就可以利用我們對物理法則的理解成為這第四維時空中的時間旅者。