時間旅行：科學還是幻想？（下）

四. 時間旅行與因果佯謬

有關時間機器的討論除了探討它的理論可行性外， 還有一個非常重要的方面， 那就是探討時間機器假如存在， 我們能用它來做什麼？

粗看起來， 這似乎不成之為問題， 既然能夠做時間旅行， 那麼到達目的時間之後自然應該是想做什麼就可以做什麼——只要不違反物理學定律。 但細想一下， 事情又不那麼簡單。 舉個例子來說， 倘若時間旅行者回到自己出生之前， 他能夠阻止自己父母的相識嗎？ 這似乎不需要違反任何物理學定律。 比如時間旅行者若在自己的父母相識之前， 向後來會成為自己父親的那個人開槍， 子彈似乎完全可以在不違反任何物理學定律的情況下擊中目標， 造成致命傷害。 但如果那樣的行動成功了， 我們就會立刻陷入所謂的 「因果佯謬」 (causality paradox) 之中。 因為如果時間旅行者的父母因為他的阻撓而沒有相識， 那麼世上就不會有他； 而世上如果沒有他， 他又如何能夠返回過去並阻止自己父母的相識呢？ 像這樣的佯謬在考慮時間旅行時數不勝數， 它們都起源於時間旅行對因果時序可能造成的破壞。

這類佯謬該如何解決呢？ 在科幻小說或電影中， 解決的方式往往是通過各種巧合。 比如前面提到過的威爾斯的《時間機器》在 2002 年被拍攝成影片時， 或許是為了對主人公建造時間機器的動機做出某種說明， 導演增添了主人公情人被害， 他試圖重返過去加以挽救的情節。 在那段情節中， 主人公想盡辦法， 卻總是顧此失彼， 他的情人總會以這樣或那樣的方式死去。 顯然， 同樣的手法也可以用來避免時間旅行者阻止自己的父母相識。 比方說當時間旅行者正要採取某種手段阻止父母相識時， 不小心踩到一塊香蕉皮摔傷住進醫院， 從而錯過了時機[注一]。 這樣的解決佯謬的方式被一些物理學家戲稱為 「香蕉皮機制」 (Banana Peel Mechanism)。 在 「香蕉皮機制」 下， 時間旅行者看似能夠自由行事， 但每當其行為將要導致因果佯謬時， 總會受到某些看似偶然的因素干擾， 致使行為失敗。

這種 「香蕉皮機制」 很適合編寫戲劇性的故事情節。 但從物理學的角度講， 很難想像物理學定律需要通過如此離奇巧合的方式來解決佯謬[注二]。 更何況， 香蕉皮機制還有一個致命弱點， 那就是它往往只著眼於保證一兩個核心事件——比如影片《時間機器》中主人公情人的死亡， 或者我們所舉的例子中時間旅行者父母的相識——的發生不會被時間旅行所改變， 卻無法兼顧其它事件。 比如影片《時間機器》中主人公的情人以不同方式死亡會在當地報紙上留下不同的報道； 我們所舉的例子中時間旅行者的摔傷住院也會在當地醫院中留下相應的記錄。 這些事件對特定的故事來說並不突出， 但從維護因果時序或歷史的角度講卻與核心事件有著同等的重要性。 事實上， 自然界的各種事件之間存在著千絲萬縷的聯繫， 任何看似微小的變化， 都有可能通過這種聯繫逐漸演變成重大事件， 這一點對混沌理論中的 蝴蝶效應 (Butterfly Effect) 有所了解的讀者想必不會陌生[注三]。

除香蕉皮機制外， 在一些科幻故事中還可以看到另外一種觀點， 那就是在一定程度上放棄因果律， 以擴大時間旅行者的行動自由。 在這種觀點下， 歷史可以近乎隨意地被改變， 並且改變的結果可以影響到現實世界中的許多事情。 科幻影片《頻率》(Frequency) 體現的就是這種觀點。 在那部影片中， 主人公雖然沒有直接進行時間旅行， 但他通過與 30 年前去世的父親建立聯絡， 具備了間接改變歷史的能力。 在影片中， 歷史事件的每一次改變都會直接改變 30 年後的現實世界。 比如由於歷史事件的改變導致主人公母親意外死亡， 30 年後主人公母親的相片就會從相框中突然消失。 顯然， 這種觀點幾乎等於放棄已知的物理學定律， 比試圖保護現實的香蕉皮機制更為離奇。

五. 凝固長河與平行宇宙

像 「香蕉皮機制」 或放棄因果律這樣的做法， 雖然也有物理學家表述過， 但總體來說， 它們與現實物理學定律之間的差距太大， 很少有物理學家會在沒有足夠證據的情況下， 對物理學定律做如此劇烈的變動。 對物理學家們來說， 更感興趣的問題是： 在現有物理學定律的基礎上， 能否理解或避免由時間旅行所可能導致的因果佯謬？

對於這一問題， 物理學家們尚未形成一致的看法。 我們在這裡向讀者介紹兩種主要的觀點。

第一種觀點認為時間和空間是對物理事件的完整標識。 因此一旦時間和空間同時確定， 物理事件也就完全確定了。 從這個意義上講， 如果我們把時間比作一條長河， 那它其實是一條凝固的長河， 它的每個截面——對應於一個確定時刻所有物理事件的全體——都是固定的， 就像電影膠片一樣。 按照這種觀點， 歷史只能有一個版本， 如果時間旅行者能夠回到過去， 唯一的可能是他原本就存在於過去。 這話聽起來有點玄妙， 用平直一點的話說就是時間旅行者回到過去後所做的一切都只能精確地演繹歷史上已經存在過的一個人。 如果他試圖阻止自己父母相識， 卻不小心踩到香蕉皮摔傷住了院， 那麼在歷史上就的確存在過這樣一個人， 乘坐奇怪的機器從天而降， 很不幸地踩到香蕉皮摔傷住了院， 傷愈後又乘坐奇怪的機器離去。 換句話說， 時間旅行者並不能對歷史做分毫的改變， 他甚至連歷史的旁觀者都不是， 因為他原本就是歷史的一部分。 這種觀點對於熱衷時間旅行的人來說無疑是令人失望的， 因為如果一切都是不可改變的， 那麼時間旅行也就失去了最重要的價值。

幸運的是， 第二種看待時間旅行的觀點要開放得多， 這種觀點來源於美國物理學家艾弗里特 (Hugh Everett III) 1957 年提出的一種奇特的量子力學詮釋——多世界詮釋 (many world interpretation)[注四]。

我們知道， 量子力學的一個重要特點就是對量子體系進行測量的結果往往是不唯一的。 那麼， 一個具體的測量結果究竟是如何產生的呢？ 物理學家們提出了許多不同的觀點。 有些物理學家認為當我們對量子體系做測量時， 體系的狀態會發生坍縮， 我們觀測到的測量結果是一個坍縮後的狀態。 在這種觀點中， 狀態的坍縮是一個不可預測的過程。 與之相反， 艾弗里特等人的多世界詮釋則認為， 並不存在這種不可預測的狀態坍縮， 量子測量的結果是世界分裂為一組平行宇宙。 所有量子力學中可能出現的測量結果都是真實存在的， 只不過它們分別存在於各自的平行宇宙而非單一世界中。 觀測者所得到的測量結果， 只不過是他 (她) 所在的平行宇宙中的特定結果而已[注五]。 如果我們把這種觀點運用到時間旅行中， 認為時間旅行者不僅跨越時間， 而且還跨越不同的平行宇宙， 那麼所有的佯謬就都迎刃而解了[注六]。 比如時間旅行者阻止自己父母的相識就不再成為佯謬， 因為所有這一切都發生在一個不同的平行宇宙中。 在那個宇宙中他的父母原本就不相識， 他自己也原本就不曾出生過。 這與阻止父母相識的時間旅行者本人出現在那個宇宙中並不矛盾， 因為時間旅行者是來自於另一個平行宇宙的， 在那個平行宇宙中他父母依然相識。 在這種觀點下， 每個平行宇宙的歷史仍然是唯一的， 但是所有物理定律許可的歷史都會在某個平行宇宙中得以實現， 時間旅行者雖然無法改變任何一個平行宇宙的歷史， 卻可以自由地選擇進入哪一個平行宇宙， 他不能改變歷史， 卻可以選擇歷史[注七]。

六. 幻想與歷史

經過了這些討論， 現在讓我們回到本文的標題上來， 時間旅行究竟是科學還是幻想？ 據說索恩與學生髮表有關蟲洞及時間旅行的論文時，曾經擔心被同事們認為是不務正業。 但我們在本文中已經看到， 在時間旅行這個主題背後有著一系列值得深入研究的物理學課題。 事實上，現在的確有一小部分物理學家——其中包括世界頂尖大學的教授——在對這些課題進行認真的研究。 這種研究除了試圖探討科幻小說中這些迷人話題的理論可行性外， 一個很重要的動機是要探索現有物理學定律的邊界， 探索在最離奇的情形下物理學定律可以告訴我們什麼。 從這個意義上講， 時間旅行無疑是一個有著豐富科學內涵的課題。

但是另一方面，從現實可行性上來講， 起碼就我們目前所知的物理學定律而言， 時間旅行很可能只是一種幻想。我們在前面討論過許多有可能形成閉合類時曲線的理論模型， 撇開它們面臨的種種理論難題不論， 在那些討論中我們還忽略了一個很重要的方面， 那就是雖然從結構上講， 閉合類時曲線與能讓人類使用的時間機器完全類似， 但在規模上卻有著巨大差異。 以索恩等人的蟲洞時間機器來說， 為了讓人類能夠使用這種時間機器， 蟲洞必須是可穿越蟲洞。 而我們在有關 蟲洞 的介紹中已經看到， 建造可穿越蟲洞是一件幾乎不可能做到的事情， 更遑論讓蟲洞的出入口以接近光速的速度做特定的運動了。 因此， 索恩的蟲洞時間機器無論在理論上是否可能， 在現實世界中實現的可能性都是微乎其微的。

限於篇幅， 我們有關時間旅行的介紹到這裡就告一段落了。 十多年前， 霍金曾經問過這樣一個問題： 假如時間旅行是可能的， 為什麼在我們周圍至今尚未充斥著來自未來世界的時間旅行者呢？ 這個問題的潛台詞是： 時間旅行者沒有來到我們周圍， 最有可能的原因是時間旅行在整個時間長河中——也就是永遠——都沒有實現過。 當然， 霍金並沒有把這樣的問題當作是對時間機器的一個認真的理論詰難。 不過， 他的這個問題還是引起了一些物理學家的思考， 並且他們找到了一種可能的回答： 即我們目前所知的有可能實現時間旅行的理論模型， 有一個很可能具有普適性的共同特點， 那就是不允許時間旅行者回到時間機器存在之前的年代。 因此， 假如公元 2500 年有人建造出了時間機器， 那麼時間旅行者只能訪問公元 2500 年之後的年代[注八]， 他們永遠無法來到我們周圍， 更無法像一些科幻小說描繪的那樣， 回到史前時代去捕捉恐龍——那些歷史已經或將要無可挽回地被時間長河所吞沒， 就像美國物理學家格林 (Brian Greene) 所說的： 在時間機器建造成功之前的每一個年代， 都將成為我們以及我們的子孫後代永遠無法觸及的歷史。

從這個意義上講， 如果時間旅行是可能的話， 早一天建造出時間機器就是多拯救一天歷史。

注釋

當然， 這只是最簡單的巧合 (不過 「香蕉皮機制」 因之而命名， 故特意舉出)。 為了情節的需要， 我們還可以設想更為複雜的巧合。 比方說時間旅行者試圖向後來會成為他父親的那個人開槍， 卻因為心情矛盾導致槍法失准， 沒有擊中 「父親」， 卻擊中了 「父親」 的情敵！ 他試圖阻止父母相識的行動非但沒有達到目的， 反倒為他父母的結合鋪平了道路。 他的行動不僅沒有破壞因果關係， 反而成為了維護因果關係所必需的， 等等。 象這種近乎宿命的巧合在科幻故事中用得也很多。

儘管如此， 還是有物理學家做過這方面的考慮。 比如俄國物理學家諾維科夫 (Igor Novikov) 曾經提出過一個假設， 認為物理學定律會——哪怕通過離奇巧合的方式——自動保證不出現因果佯謬。 這個假設被稱為 「諾維科夫自洽性假設」 (Novikov consistency conjecture)， 它可以算是香蕉皮機制的理論版本。 不過這個假設一直缺乏具體的實現方式。

舉個例子來說， 如果時間旅行者回到過去後把一塊小石頭放在路上， 然後離開。 這樣的事件無疑是非常微不足道的， 但它有可能導致某位行人因踩到石頭而扭傷腳。 而這位倒霉的行人有可能恰好是一位物理學家， 他正要去做一個有關時間旅行的學術報告， 卻因為扭傷了腳而取消報告。 而那個學術報告的聽眾中有可能恰好有一位年輕人因為這個報告的影響而投身於時間旅行的研究， 並最終成為時間機器的建造者。 在這種情況下， 時間旅行者放在路上的小石頭對歷史的影響就擴大成了尖銳的佯謬。 因為正是這塊石頭的出現， 使得一位物理學家取消了學術報告， 既而又使得一位年輕人因沒有聽到這個學術報告而不再以時間旅行作為自己的研究方向， 而這最終導致了人類沒能研製出時間機器。 但如果人類沒能研製出時間機器， 時間旅行者又如何能夠放置那塊小石頭呢？

艾弗里特是多世界詮釋的提出者， 不過 「多世界詮釋」 這一術語卻是美國物理學家德惠特 (Bryce DeWitt) 提出的。

需要指出的是， 多世界詮釋的原始表述其實並不依賴於象 「多世界」 或 「平行宇宙」 那樣的概念。 後來流行的 「多世界」 或 「平行宇宙」 概念從某種意義上講是對多世界詮釋本身的詮釋。

當然， 這裡所謂的 「迎刃而解」， 是建立在有著極大爭議性的平行宇宙概念之上的， 因而本身也是有著極大爭議性的。 此外， 所謂 「迎刃而解」， 首先還假定所討論的問題有意義， 這同樣有可能是不成立的， 因為時間旅行完全有可能是如霍金猜測的那樣被物理學定律所禁止的， 由時間旅行所導致的因果佯謬也因此完全有可能是偽問題。

即便按照這種觀點， 科幻小說中的許多情節也是不可能實現的。 比如通過時間旅行者對某個歷史事件的干預來改變人類命運就是不可能的。 時間旅行者的努力， 只能使他自己進入一個人類命運截然不同的平行宇宙中去， 而試圖通過這一努力來改變自己命運的原平行宇宙中的其他人的命運， 將不會因此而改變。

注意， 這並不是說時間旅行者只能作面向未來的時間旅行。 在時間機器存在之後的那些年代之間， 他們的旅行既可以面向未來也可以面向過去， 他們只是無法回到時間機器建造之前的年代去。

參考文獻

M. Visser,Lorentzian Wormholes: from Einstein to Hawking(AIP Press, American Institute of Physics, 1996).

B. Greene,The Fabric of the Cosmos(Alfred A. Knopf, 2004).

J. R. Gott III,Time Travel in Einstein s Universe(Houghton Mifflin Company, 2001).

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