山中方七日，世上已千年：從雙生子悖論到時(shí)間旅行

甚至沒有任何一個算命先生能夠告訴我們現(xiàn)在怎么樣！沒有任何人能夠告訴我們在任何合理的范圍內(nèi)此時(shí)此刻正在發(fā)生什么事情，因?yàn)槟鞘遣荒苡^測的。

——費(fèi)曼

運(yùn)動的時(shí)間變慢使星際旅行從幻想變成現(xiàn)實(shí)。稍后我們就會講到，恒星之間的距離非常巨大，即使用光的速率飛行，要從地球出發(fā)到達(dá)距離地球最近的恒星也要走4年多。今天，宇宙飛船的航行速率大約在每秒10千米的數(shù)量級；即使考慮到飛出太陽系的需要，這個速率也只比每秒10千米大幾倍；如果再考慮到太陽系本身有一個運(yùn)動速率，那么，飛出太陽系的宇宙飛船相對于銀河系中心的速率也就不過每秒幾百千米。為方便計(jì)算，假定宇宙飛船的飛行速率是每秒30千米。這樣，用我們今天的宇宙飛船做一次這樣的旅行就必須花上8萬年。如果考慮到時(shí)間延緩效應(yīng)，按照這樣的速率做一次旅行所花費(fèi)的時(shí)間只比8萬年少7個小時(shí)。因此，今天的宇航技術(shù)無法讓一個人在一生中走上這樣一個來回。

不過，如果能夠使宇宙飛船的速率達(dá)到0.99光速的速率，時(shí)間延緩的效應(yīng)將會相當(dāng)顯著。如果用這樣的速率到遙遠(yuǎn)的太空去做一次旅行，那么，在地球上的人看來，宇宙飛船中的15年就相當(dāng)于地球上的100年！可是，難道我們不可以反過來看嗎？根據(jù)狹義相對論中的時(shí)間的相對性，如果從宇宙飛船上看，情況剛好相反，做運(yùn)動的不是宇宙飛船，而是地球，因此，地球上的15年就相當(dāng)于飛船上的100年！

這就產(chǎn)生一個令人難以回答的問題，這個問題在狹義相對論的歷史上曾經(jīng)被稱為雙生子悖論。假定有一對孿生兄弟，兩個人同一時(shí)刻在地球上降生。當(dāng)然，實(shí)際上他們出生的時(shí)刻可能會相差幾分鐘，但這對我們的討論沒有任何影響。當(dāng)他們長到了18歲的那一年，其中一個兄弟決意要到織女星做一次太空旅行。織女星離開我們大約26.4光年，如果飛船以0.99光速的速率飛行，只要大約53年就可以走一個來回。對于這趟旅行，在地球上的兄弟看來，航天的兄弟以0.99光速的速率飛行，一個來回需要53年。當(dāng)旅行結(jié)束時(shí)，地球上的兄弟已經(jīng)71歲了。但是，由于航天兄弟的時(shí)鐘要走得慢，他的生命進(jìn)程也要慢。因此，當(dāng)航天兄弟返航時(shí)，他的生命進(jìn)程才過了不到7年半，只有26歲；然而，在航天的兄弟看來，情況卻不是這樣的。在他看來，地球、織女星以及四周的空間正以0.99光速的速率運(yùn)動，因此，地球與織女星之間的距離就不再是26.4光年了，而是不到4光年。這樣，以0.99光速的速率做一番旅行就只需要7年半，返航時(shí)他只有26歲。由于地球上的兄弟以0.99光速的速率運(yùn)動，根據(jù)相對論，在旅行結(jié)束時(shí)，他的生命進(jìn)程才過了1年，只有19歲。

我們看到，兩個人做出的結(jié)論是矛盾的，但是，他們的根據(jù)都是狹義相對論。那么，問題到底出在哪里呢？

對雙生子悖論做簡單的分析就不難明白問題到底出在哪里了。實(shí)際上，問題就出在對兩個人的年齡進(jìn)行比較。要對兩個人的年齡做比較，航天的兄弟就必須回到出發(fā)的地點(diǎn)。他必須先起飛，然后把飛船，在比如說1個月內(nèi)，加速到0.99光速的速率，然后，勻速飛行26年，再減速1個月，用很低的速率在遠(yuǎn)方兜上一陣子，然后開始返程。返程的時(shí)候也是先加速，然后勻速飛行，最后減速停下來。因此，飛船有一陣子實(shí)際上并不處于勻速飛行狀態(tài)。我們還記得，由狹義相對論的基本原理得出時(shí)鐘變慢和尺度收縮的結(jié)論有一個基本前提，就是假定觀測者只做勻速直線運(yùn)動。而在我們的這個例子中，宇宙飛船并不是始終在做勻速直線運(yùn)動的?？墒牵y道我們不可以反過來看嗎？雖然在地球上看來，宇宙飛船在做非勻速的運(yùn)動，但是，對宇航員來說，他看到的恰恰相反，是地球相對于他做加速運(yùn)動。那么，怎樣判斷到底是地球還是宇宙飛船在做非勻速的運(yùn)動呢？答案就是慣性力。慣性力這個東西你大概每天都有機(jī)會感受到，當(dāng)你在電梯中加速上升時(shí)，或者坐在公共汽車上加速前進(jìn)時(shí)，都能夠感受到慣性力。在宇宙飛船加速和減速的過程中，宇航員也感受到慣性力。而在地球上的人并沒有這種感覺。正是對慣性力的感覺使宇航員知道是自己而不是地球在做非勻速的運(yùn)動。于是，我們現(xiàn)在知道了，當(dāng)?shù)厍蛏系男值苷J(rèn)為，宇航員的時(shí)鐘走得慢一些，宇航員要比自己年輕時(shí)，他是對的，因?yàn)樗钤诘厍蛏?，地球在宇宙中做勻?/span>(當(dāng)然只是近似地)運(yùn)動，他始終沒有感受到慣性力(當(dāng)然也只是近似地)，狹義相對論對他是適用的；然而，宇航員就不同了，在他的飛船加速或者減速的過程中，以及當(dāng)他掉頭往回飛的時(shí)候，他都感受到慣性力。正是他所感受到的慣性力使他知道，是他自己而不是地球在飛行，也正是這種慣性力使他認(rèn)識到，自己的飛船并不是處于勻速直線運(yùn)動中。由于狹義相對論只適用于非加速的觀測者，因此，它的結(jié)論不能用在遠(yuǎn)征的宇宙飛船上。

當(dāng)然，這并沒有完全解決問題。要徹底解決這個問題，必須從加速運(yùn)動的觀測者的角度來考察時(shí)間的性質(zhì)。這將是廣義相對論研究的課題。我們將會看到，在廣義相對論中，宇宙飛船上的時(shí)間確實(shí)比地球上的時(shí)間進(jìn)展得緩慢。

于是，我們得到了這樣一個結(jié)果：航天的兄弟在遠(yuǎn)征期間要衰老得慢，當(dāng)他遠(yuǎn)征回來時(shí)，他將比留在地球上的兄弟年輕，他只用了7年半的時(shí)間，就走過了地球上的兄弟需要53年才能走完的光陰。從某種意義上說，航天的兄弟到未來去做了一次旅行。

這個結(jié)論有沒有觀測證據(jù)呢？1971年，兩位美國物理學(xué)家，華盛頓大學(xué)的哈費(fèi)勒（J C Hafale）和海軍天文臺的基廷（Richard Keating），對放置在一架飛機(jī)上做環(huán)球旅行的原子鐘進(jìn)行了測量，以極高的精度證實(shí)了這個結(jié)論。在旅行結(jié)束時(shí)，飛機(jī)上的時(shí)鐘所指示的時(shí)間比地面上的時(shí)鐘所指示的時(shí)間慢了59納秒。

這似乎為我們展現(xiàn)出一幅到未來去旅行的美妙的圖景。只要你在一段時(shí)間內(nèi)以高速飛行，你就可以向未來進(jìn)發(fā)。只要你不斷地飛行，你就能夠不斷地深入未來。你以越高的速率飛行，就能更遠(yuǎn)地深入未來。你甚至可以用這樣高的速率飛行，使得你在飛船上僅僅度過了幾天，地球上的歷史就已經(jīng)經(jīng)歷了上千年?！吧街蟹狡呷?，世上已千年”的神話似乎就這樣得以實(shí)現(xiàn)！

空間有這樣一個特性，當(dāng)你置身于其中時(shí)，可以向前后左右上下各個方向走?？墒?，如果我們置身于時(shí)間中，情況又會怎樣呢？顯然，在時(shí)間中是一定可以向前走的，這就是我們的日常生活。我們甚至可以走得更遠(yuǎn)。相對論告訴我們，乘坐高速宇宙飛船就可以深入到未來的時(shí)光中去旅行。既然我們可以在時(shí)間中向前走，反過來行不行呢？人類是否會發(fā)明出某種裝置，令我們能夠回到過去，在歷史的長河中暢游呢？相對論對這個問題也有明確的答案，這個答案與因果關(guān)系緊密相連。

回到過去就是在時(shí)間中往回走。當(dāng)我們這樣做的時(shí)候，就會看到事物的進(jìn)程是逆著時(shí)間的方向發(fā)展的。如果我們原先正在看一場狩獵追逐，先看到開槍這個事件，然后再看見兔子死亡這個事件。開槍是兔子死亡的原因，原因先發(fā)生，結(jié)果隨后出現(xiàn)。但是，如果我們在時(shí)間中往回走，就會先看到兔子從死亡中復(fù)蘇，然后看見槍彈倒回到獵槍中。于是，當(dāng)我們逆著時(shí)間往回走時(shí)，由于整個過程的時(shí)間順序改變了，因果相關(guān)的兩個事件發(fā)生的先后次序也巔倒過來了，結(jié)果先出現(xiàn)，原因才接著發(fā)生。

會不會出現(xiàn)這樣的情景呢？相對論明確地告訴我們：不會！相對論是怎樣得出這個結(jié)論的呢？答案就在光速這道屏障上。對因果相關(guān)的兩個事件的發(fā)生時(shí)間做一點(diǎn)數(shù)學(xué)上的分析就會發(fā)現(xiàn)，要讓這兩個事件發(fā)生的次序巔倒過來，要求有某種東西以超越光速的速率在它們之間傳播。但是，相對論不允許有超越光速的速率。因此，無論觀測者的運(yùn)動狀態(tài)怎樣，都不會看到結(jié)果在原因之前發(fā)生，因果相關(guān)的兩個事件發(fā)生的先后次序是不可能巔倒過來的。

這意味著我們不能逆著時(shí)間往回走。于是，在時(shí)間的長河中，我們只能不斷地向前走，甚至可以走進(jìn)未來的時(shí)光中。但是，我們永遠(yuǎn)不可能回到過去，置身于往昔的歲月中。

為什么會這樣呢？大自然為什么要給我們制造這道屏障呢？沒有人知道答案。也許就象霍金所說的那樣，這可能是大自然保護(hù)自己的一種方式，阻止到過去旅行才能避免可能帶來的因果性悖論，比如說，回到某個人的母親仍處于少女時(shí)代的時(shí)刻并殺死她，或者回到歷史上某個關(guān)鍵性的時(shí)刻去改變歷史的進(jìn)程，如此等等。

不能逆著時(shí)間往回走，這多少有點(diǎn)令人遺憾?？墒牵軌虻轿磥砣ヂ眯?，也算是大自然給予我們這顆孤獨(dú)的心靈的一點(diǎn)小小的安慰。那么，我們能不能到未來去旅行呢？實(shí)際上，根據(jù)狹義相對論的觀點(diǎn)，并沒有真正意義上的時(shí)間旅行。當(dāng)你乘坐著宇宙飛船以很高的速率飛行時(shí)，在地面上的觀測者看來，你的時(shí)鐘的確比地面上的時(shí)鐘走得慢。不僅如此，在地面上的觀測者看來，你的生命進(jìn)程也比他的生命進(jìn)程慢，而且，變慢的程度與時(shí)鐘變慢的程度一模一樣。于是，在你看來，你的生命的進(jìn)程與你的時(shí)鐘的進(jìn)程是一模一樣的。因此，你并沒有感覺到自己的生命進(jìn)程有任何變化，你會感覺到就象生活在地面上一樣。這就是說，你只是按照正常的規(guī)律生活，你并沒有去到未來。但是，由于你的生命進(jìn)程比地面上的人的生命進(jìn)程慢了，因此，當(dāng)你的飛船回到地面上時(shí)，你將比一直生活在地面上的人年輕不少。于是，從某種意義上說，你確實(shí)到了未來。不過，那不是你自己的未來，而是別人的未來。

時(shí)間旅行是一次單程的旅行，是一種再也不能回到出發(fā)的時(shí)刻的旅行。你只能到未來去，卻不能返回到出發(fā)的那一刻，因?yàn)槟悴荒茉跁r(shí)間中向后退。如果你真的想要進(jìn)行一趟這樣的時(shí)間旅行，那么，你就得付出代價(jià)。有時(shí)候，這個代價(jià)還相當(dāng)高，因?yàn)槟阍僖膊荒芑氐侥愠霭l(fā)的那一刻了，那一刻與你要去到的那個未來可能相隔千萬年。如果你真的做了這樣一次時(shí)間旅行，那么，當(dāng)你返回地球的時(shí)候，你將是一件價(jià)值連城的老古董！

其實(shí)，我們每一個生活在這個世界上的人都在做時(shí)間旅行。你也并不例外，即使你的整個一生都在地面上度過。從你降臨到人世間的時(shí)刻開始，一直到你的生命的終點(diǎn)，你都在做時(shí)間旅行。但是，這趟旅行與別的旅行不一樣。你不能去到未來，也不能回到過去，你將永遠(yuǎn)停留在現(xiàn)在。