一個博士生成功設計了時間機器，就缺兩輛無限長的車了

在 BBC 劇集《神秘博士》中，主角使用 Tardis 進行時空穿梭。圖片來源：Babbel1996 / Wikimedia Commons, CC BY-SA

來源Conversation

撰文 Gaurav Khanna

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時間旅行的概念總是吸引著物理學家和愛好者的想像力，但它真的可能實現嗎？當然可以。我們現在就在做這樣的事情，我們都在一秒鐘又一秒鐘地走向未來。

但這並不是你想像的情形。我們可以走得更遠嗎？絕對可以。如果我們可以接近光速，或者在黑洞附近旅行，時間就會減慢，讓我們可以到達任意遠的未來。真正有趣的問題是，我們能否回到過去。

我是位於達特茅斯的馬薩諸塞大學（University of Massachusetts）的物理學教授。7 歲那年，從卡爾·薩根（Carl Sagan）的經典電視節目《宇宙》（Cosmos，1980）中，我第一次了解到時間旅行的概念。我當時就決定將來要深入研究這個充滿了創造性的卓越理論：愛因斯坦的相對論。二十年後，我帶著博士學位邁入這個領域，從此積極地投入對這一理論的研究中。

現在，我的一位博士生剛剛在《經典與量子引力》（Classical and Quantum Gravity）期刊上發表了一篇論文，描述了如何建造時間機器，而且只需要一種非常簡單的結構。

封閉類時間曲線

愛因斯坦的廣義相對論允許將時間扭曲到很高的程度，使其發生摺疊，從而產生一個時間迴路（time loop）。想像你正沿著這個迴路旅行，那麼在某個時刻，你會來到在過去的某個時刻，經歷同樣的事件，周而復始——這有點像「似曾相識」（ deja vu），只是你不會意識到這一點。這些結構在研究文獻中通常被稱為封閉類時間曲線（closed time-like curves，CTC），並且通常被稱為「時間機器」。時間機器是超光速旅行方案的副產品，理解它們可以促進我們對宇宙如何運作的理解。

圖中就是一個時間迴路。綠色顯示通過蟲洞的路徑，紅色顯示了正常空間的長路徑。由於綠色路徑上的行進時間與紅色相比可能非常小，因此蟲洞可以允許時間旅行。圖片來源：Panzi, CC BY-SA

在過去的幾十年里，基普·索恩（Kip Thorne）和斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）等著名物理學家就與時間機器相關的模型進行了開創性的工作。

過去的研究得出的一般結論，包括索恩和霍金的理論，都認為自然禁止了時間迴路的發生。霍金的「時序保護猜想」（Chronology Protection Conjecture）可能最好地解釋了這一點，該理論認為大自然不允許改變其過去的歷史，從而使我們免於時間旅行可能引發的悖論。

在由時間旅行而引發的悖論中，最為人所知的或許是所謂的「祖父悖論」，即時間旅行者回到過去謀殺自己的祖父。這以一種矛盾出現的方式改變了歷史進程：旅行者從未出生，因此不可能存在。許多電影和小說利用這一悖論構建情節，例如《回到未來》和《土撥鼠日》。

奇異物質

不同的物理現象可能以不同的機制阻止了物理系統中封閉類時間曲線的形成。最常見的限制條件是需要存在特定類型的奇異物質，才能形成時間迴路。不那麼嚴格地說，奇異物質是具有負質量的物質，然而問題在於在自然界中不存在負質量。

但是，有一種時間機器模型不需要任何具備負質量的特殊材料，並且設計非常簡單。它由馬薩諸塞州達特茅斯大學（University of Massachusetts）的博士生卡羅琳·馬拉里（Caroline Mallary）提出，相關論文發表於《經典與量子引力》（Classical and Quantum Gravity）期刊。

馬拉里的模型由兩輛並行停放的超長車組成，車由非奇異物質的材料製成。一輛車快速向前移動，另一輛車停在原地。馬拉里證明，在這樣的設置中，可以在汽車之間的空間中找到時間迴路。

動圖顯示了馬拉里的時間迴路的工作原理。隨著航天器進入時間迴路，其未來的自我也會出現，並且在這之後的每一個時刻，我們都可以追溯兩者的位置。動畫採用了外部觀察者的視角，觀察者正在觀察宇宙飛船進入時間迴路，然後再次出現。來源：Conversation

咱能在自家後院建一個嗎？

如果你懷疑這裡有個坑，那麼你是對的。馬拉里的模型要求每輛車的中心具有無限密度，這意味著它包含著一種名為奇點的物體，具有無限的密度、溫度和壓力。此外，馬拉里模型中的奇點與黑洞內部存在的奇點不同，黑洞中的奇點在外部完全無法獲得，而馬拉里模型中的奇點完全是裸露的、可觀察的，因此具有真實的物理效果。

物理學家也不指望自然界中會存在如此奇特的物體，所以很抱歉，時間機器一時還用不上。然而這項工作表明，在為什麼不可能存在封閉類時間曲線這個問題上，物理學家可能需要重新審視自己的想法。

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