時空的彎曲，即將穿越時空

讓我們先從最讓你感到激動的時間旅行開始說起吧。

現在這年頭，穿越類的小說真多，儼然都成了各大文學網站上的一個大類，各種各樣的穿越手法真是五花八門、眼花繚亂，那種月光寶盒式的無厘頭穿越不在我們今天討論範圍之列。有時候偶爾你也會看到一些對穿越行為的「科學原理」進行描述，其中最多的是說「根據相對論，只要速度能超過光速，我們就可以回到過去。」各位，以後凡是你一看到這種利用超光速穿越的小說，可以立即定義為「科盲幻想小說」，簡稱「盲想小說」。這種根據相對論超光速就能穿越的科學原理簡直自相矛盾得一塌糊塗，相對論的一個最基本的原理就是光速是任何運動的速度極限，是不可能被超過的，而一旦允許超光速運動，那麼相對論本身就被推翻了，又何談根據相對論呢？這是一個顯而易見的自相矛盾，那麼多的盲想小說家把這個奉為至寶——但凡穿越，必超光速，實在是讓我異常的驚訝，我一個樸素的願望是芸芸穿越小說家們能隨手翻翻我這本書，就是編也要編得靠譜一點。

那我們來了解一下真正物理學家研究的時間旅行到底有一些什麼樣的科學原理和依據吧。

時間旅行是廣義相對論研究的課題，目前全世界確實有很多嚴謹的科學家在探討這方面的可能性，其中就包括有著「活著的愛因斯坦」之稱的霍金。根據廣義相對論，時空會被引力彎曲，引力越強，則時空的彎曲程度越大，也就是說，根據廣義相對論的這個原理，我們會發現時空不是平坦的，時空是有形狀的。我知道我這麼說還是讓你感到不太容易明白，那麼我就來打一些粗糙的比喻來幫助你理解。我們首先把時空想像成一張紙，我們在時空裡面運動，就好似沿著紙面運動，但是請注意一點，如果這張時空紙延伸的方向表示時間這個維度的話，那麼我們只能朝著一個方向運動，因為時間維是只能朝一個方向運動的，這是時間維的物理性狀。

圖7-4 在平坦的時空中朝著時間的方向運動

但是請千萬注意一點，在愛因斯坦的時空觀裡面，這張紙是不平坦的，有起伏，有褶皺，我們在時空紙上的運動就像在崎嶇不平的山路上走路一樣，高高低

圖7-5 真實的時空不是平坦的

現在假設我們在一個平坦的時空中上午8:00點出發，從時空的一頭運動到另外一頭（注意，根據愛因斯坦的發現，任何物體在時空中運動的速度都是光速，所以，在這個比喻裡面，你就不要再問出我們的運動速度是多少這樣的傻問題了），到達終點的時候，剛好是上午9:00點。現在再假設我們經過的這段時空被某種力量彎曲了，那麼我們達到終點的時候，會變成上午8:30，如果彎曲的更厲害一點，我們就會在8:10分到達終

圖7-6 隨著時空的彎曲程度加大，到達時間越來越早

現在是重點來了，如果時空這張紙被彎曲了成一個莫比烏斯帶的形狀，頭尾相連了起來，你就有可能在7:50分達到終點，也就是說你沿著彎曲的時空走了一圈回來以後，發現到達的時間比你出發的時間竟然還早，這意味著你回到了過去。

因此，在廣義相對論中，時間旅行的科學原理是通過一個時空的圈環來回到過去，這個時空圈環被霍金稱之為「類時閉合曲線」（也不知道怎麼翻譯的，拗口得很，有些人就是喜歡故弄玄虛，直接像我這樣叫時空圈環挺好的）。愛因斯坦的狹義相對論是不允許時間旅行的，等到廣義相對論剛剛誕生的時候，愛因斯坦也不認為時空能彎曲成一個圈環，直到1949年，他的好朋友大數學家哥德爾（Kurt Godel 1906-1978）在廣義相對論方程中發現了一個解，這個解居然允許宇宙中這種時空圈環存在，愛因斯坦當時就震驚了，但隨後他就自己意識到這個時空圈環正是自己和助手羅森塔爾一起發現的「蟲洞」的某種特性（還記得我們在第五章最後講到的愛因斯坦羅森塔爾橋嗎）。

所以，靠譜一點的時空穿梭原理一般都要藉助蟲洞來完成，以後看穿越小說先翻翻有沒有提到愛因斯坦羅森塔爾橋或者蟲洞什麼的（哪怕像電影雷神托兒中叫彩虹橋也行）。

非常抱歉，前面出現了一個讓你莫名其妙的名詞——莫比烏斯帶。不是我故意不解釋，而是這個東西實在是太迷人了，我非得另起一段單獨講講才覺得過癮呢。莫比烏斯帶，也經常被叫做魔比斯環（前兩年首部國產魔幻3D動畫大片就叫《魔比斯環》，就沖著這個電影名稱我屁顛屁顛的跑去看了，結果發現也基本屬於盲幻電影），也叫梅比烏斯帶，麥比烏斯帶等等，都是翻譯帶來的麻煩，英文名稱是MobiusStrip，這是諸多科幻小說、科幻電影、（甚至喜洋洋的動畫片中）都經常出現的一個神奇事物，它往往象徵著時空穿梭，以它的發現者莫比烏斯命名，到現在也快有200年了。

圖7-8 莫比烏斯帶

看到沒，上面這個就是莫比烏斯帶，其實就是把一張紙條的一頭擰半圈然後和另一頭粘起來，形成一個圈圈。但是你千萬千萬不要小看這個圈圈，這個圈圈有著許許多多迷人的特性。如果你在這個圈圈上跑步，你就可以一直往前跑，不用翻越任何邊界而跑過所有的面。如果你拿一隻毛筆，沿著紙面只用一筆就可以把顏色塗滿整個紙帶。這個圈圈和我們平常認識的任何像手鐲這樣的圈圈不同，這個莫比烏斯帶這隻有一個面，如果你沿著手鐲表面的中線一刀剪下去，那麼手鐲就會一分為二成為兩個各自獨立的手鐲，但是神奇的是，如果你同樣沿著莫比烏斯帶的中線剪一圈，你會發現，這個莫比烏斯帶不會一分為二，會成為一個有著正反兩面的更大的一個圈圈，然後你再沿著這個圈圈的中線剪開，你會神奇的發現這次剪出了兩個互相嵌套在一起的兩個圈圈，然後再把兩個圈圈各自沿著中線剪開，又會變成互相嵌套的四個圈圈，這麼剪下去永無止境，最後圈圈套圈圈複雜的可以把你搞瘋掉，你是不是很有衝動去試試看了。

還有更有意思的特性，首先來跟我認識一下所謂自然界中的「左右手系」對稱，想一下左右手套，這兩隻手套你怎麼看他都像是對稱的，但問題是，如果你不把手套在空間中翻一個面的話，你永遠也無法把兩隻左右手套完全重合上下疊一起，就好像你怎麼也不能把左手套在不翻過一面的情況下戴進自己的右手中。不過，如果你讓一隻左手套沿著莫比烏斯帶轉剛好一圈（不是兩圈），這隻手套就會翻過一面成為了一隻右手套，但是請千萬記住它的神奇之處就在於如果手套有感覺的話，它根本不會發現自己其實被翻過了一個面，在它的感覺中，它只是沿著一個面不停的運動，不知怎麼的就從左手系變成了右手系，再運動一圈又變回了左手系，真是要命的感覺

著名的科普經典伽莫夫寫的《從一到無窮大》中就說，如果類似莫比烏斯帶這樣的事情也能發生在三維空間中，我們的鞋子製造商就會大為興喜，他們只要生產左腳的鞋子，然後通過莫比烏斯空間傳送帶轉一圈回來，就成了右腳的鞋子，真是爽死了，而一個人如果上了這個莫比烏斯空間傳送帶，轉一圈回來則發現自己的心臟跑到右邊去了，這就不爽了。但問題是，兩維的紙片做成的莫比烏斯帶我們很好想像，那到底有沒有三維的物體形成像莫比烏斯帶這樣神奇的左右手系互轉的形狀呢，答案是有的，1882年德國數學家找到了一種以他名字命名的模型，叫做「克萊因瓶」。

瞧瞧，就是這種極其怪異的瓶子（但這僅僅是克萊因瓶的近似，真正的克萊因瓶是沒法直接做出來的，真正的克萊因瓶是不會互相穿過的，需要一點空間扭曲的想像力），我保證你盯著他看三分鐘，想像你在這個瓶子的表面跑步的情景，你會越看越神奇，越看越覺得不可思議，直到邏輯徹底混亂為止。好了，咱別看瓶子了，繼續看書。你想像一下，如果時空扭曲成這種神奇的形狀，那麼你就完全有可能坐著宇宙飛船從21世紀出發，到19世紀返回，穿越了一個世紀的時間，如果繼續往前又會返回21世紀。

太神奇了，你打心底裡面發出一種由衷的讚歎，物理學家太偉大了，物理學太有趣了，居然真的給他們搞出了一套回到過去的理論。但是很快，人們就發現如果允許回到過去的話，會產生一些邏輯上的悖論，或者說一些怪圈。比如最著名的祖母悖論，你可能耳熟能詳了，就是你如果回到過去殺死了你的祖母，那麼你祖母既然死了，你又怎麼能存在，你不存在了又怎麼能回去殺死你的祖母呢？我總覺得這個故事寫得拗口不已，完全沒必要這麼複雜的嘛，就簡單說如果你回到過去殺死以前的自己的話，又怎麼能有後面的你再回去自殺呢。總之，類似這樣的祖母悖論型的邏輯悖論我們隨便就能想出很多很多，有一個最變態的悖論說的是，你在未來給自己做了變性手術然後回去找到自己和自己生下了自己，我真服了想出這個邏輯悖論的**。這些悖論又如何解決呢？物理學家們研究廣義相對論，確實用嚴謹的數學論證出了時空圈環的可能性，但是祖母悖論又顯然在挑戰我們的常識，沒有人能接受祖母悖論會真的發生。現代的物理學家們為此爭論不休，想出了各種各樣的解決方案來避免邏輯悖論的發生，有代表性的解決方案有這麼幾種：第一種，叫做自由意志喪失說，物理學家說所有該發生的歷史都已經發生了，你不可能改變這個歷史，所以一旦你回到過去，你就會喪失自由意志，你完全被歷史所控制，你無法改變任何歷史的一丁點。你聽懂了沒？總之我是不大聽得懂。第二種，叫做時空交錯說，物理學家說你是可以回到過去，但是你回到的那個時空和真實的歷史時空是平行糾纏在一起的，但永遠不可能相交，你可以看見歷史，但不能影響歷史，這個我聽懂了，不就是說「只能看，不能摸」嘛。第三種，叫做多歷史說，這個理論首先是由一個叫費因曼（Feynman1918—1988）的美國物理學家提出來的，他說歷史不止有一個，你可以回去殺死你的祖母，你也可以回去干任何事情，甚至殺死羅斯福讓希特勒取得勝利，什麼都可以干，但是請記住，你影響的那個歷史和我們這個世界的歷史不是同一個。換句話說，當你干下了任何改變歷史的事情時，世界就分裂成了兩個世界，在我這個世界中希特勒倒台了，在你那個世界中希特勒最後成了全世界的偶像，說老實話，這個理論真夠瘋狂的，為了讓時間旅行合理，動不動就克隆出無數個世界出來。但恰恰是最後這個看起來最瘋狂的理論，卻得到了最多物理學家的支持，包括像霍金這樣的大科學家（參見霍金著《大設計》）。難道物理學家都瘋了嗎？這世界有這麼瘋狂嗎，怎麼會去相信聽起來如此不靠譜的一個理論呢？這是有原因的，因為在過去幾十年中，隨著物理學家們對量子物理的深入研究——所謂的量子物理就是研究比針尖還小几萬萬萬（至少還得打好幾個萬）億倍的基本粒子的行為的物理學，物理學家們越來越發現這個世界真是不可思議，很多微觀世界的現象只能用一些聽起來很唯心的、很過分的、很瘋狂的理論去解釋，否則如果按常理的話怎麼也說不通，包括這個多歷史的現象似乎在微觀世界中每時每刻都在發生著。關於量子物理的話題我們在第9章還得再簡單地講一講，但也只能簡單地講講，如果真要說開去的話，還得有一本比本書更厚的書才行。

--來自汪潔《時間的形狀》?

---未完待續---