霍金谈如何打造时间机器：真的不难

好莱坞最新的科幻大片Interstellar(中文翻译是很俗气的《星际穿越》)火了，火得有点让人摸不着头脑。两个女儿都打电话来推荐：“非常好看”，因为俩人口味很不一样，这样的事很少发生。科幻片在美国卖座不是新闻，比较特别的是在中国也很火，我一些国内朋友平时并不怎么看美片，这次也专门花100多块去观赏。

中国人对科幻通常不是很感兴趣的，唯一的例外是80年代初期，那时曾出现过一次科幻的热潮(还记得《珊瑚岛的死光》吗？)。一批欧美的优秀作品像克拉克的《2001太空奥德赛》，海因莱因的《双星》，雷·布拉德布雷的《冰霜与烈火》，阿西莫夫的《我，机器人》等,也在那个时期被介绍到中国来，并让我成为科幻的超级粉丝。但好景不长，国人很快就失去了兴趣。《星际穿越》能够为中国带来一个新的科幻热潮吗？很值得期待。

Interstellar到底好不好看当然取决于你从哪个角度来评价。如果你在意演员的表演，性格的塑造，对人性的演绎，它谈不上有多好(这也是美国电影的通病)。我对科幻作品，无论是小说还是电影，有另外的要求：第一：是否能够激起一种惊奇的感受(a sense of wonder)。好的科幻作品通过未来的环境，未来的科技，太空或时间旅行，平行宇宙或者外星生命等,让观众惊叹不已，启发他们的兴趣，到达寓教于乐的目的。有时我在想，美国的科技能够如此强大，科幻的确功不可没。第二：作品中是否有新的思想(new ideas)。我希望在电影中看到新的想法，原创的表现手段，没见过的故事情节。好莱坞也是你抄我来我抄你，要想看到原创并不容易。

如果按照这个标准，Interstellar是相当成功的。让我印象最深的并不是视觉效果，或故事情节，而是电影中多样的时间旅行的方法：不是一种或两种，而是四种。1)通过重力的时间旅行(time dilation through gravity)；2)通过速度的时间旅行(time dilation through speed)；3)通过虫洞(wormholes)穿越时空；4)通过高维空间(extra dimension)回到过去。在穿越时空上恐怕没有哪部电影比得了。

时间旅行真的可能吗？这部电影的很多评论是从它是否科学的角度来讨论的。严肃的科学家通常不大愿意讨论时间旅行的问题(有伪科学的嫌疑)，但也有例外。几年以前，当代最伟大的科学家之一，剑桥大学的斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在“每日邮报”上写过一篇文章，深入浅出地讨论了这个有趣的题目，用它来做为Interstellar的注解是再合适不过了。

如何建造时间机器？(节选)

霍金 (翻译：白露为霜)

什么是虫洞？

没有什么东西是完全平滑或结实的。如果你仔细观察任何物体，你都会发现有漏洞、皱纹和小孔。这是一个基本的物理原理，甚至适用于时间。这一事实很容易在三维空间中被证明，但请相信我，这在第四维 - 时间上也成立。时间上也有微小的裂缝、褶皱和空洞。这要进入非常微小的规模，甚至比分子、原子还小，我们到达了一个叫量子泡沫(quantum foam)的地方。虫洞在这里存在。在这个量子世界里，连接空间和时间的微小隧道或捷径不断形成，改变和消失。这些隧道实际上连接两个不同的地方或者两个不同的时间。

不幸的是，这些现实生活中的时间隧道或虫洞只是一个厘米的数十亿万亿万亿分之一，要想让人穿过实在太小了 - 但这里正是虫洞时间机器的概念的诞生之地。一些科学家认为有可能捕捉到一个虫洞，然后把它扩大许多万亿倍，使其大到人甚至飞船都能进入。

如果有足够的能量和先进的技术，也许能在太空建造一个巨大的虫洞。我不是说这可以做到，但假如可能，这将是一个真正了不起的装置。虫洞一端可以在地球附近，另一端在很远很远的地方，接近一些遥远的星球。

从理论上讲，一个时光隧道或虫洞可以做比把我们带到别的星球更多的事情。如果两端在同一个地方，相隔的是时间而不是距离。太空船飞入虫洞，出来时仍在地球附近，但在遥远的过去。恐龙或许可以见证太空船的徐徐降落的景象。

回到过去可能吗？

想象一下，我打算开一个“爬梯”(party)，一个专为将来的时间旅行者举行的欢迎酒会。但有一个小小的曲折：我在聚会结束之前不会让任何人知道。我在邀请信中给出在时间和空间上的精确坐标。我希望邀请信的副本，能以各种形式，流传很多万年时间。也许有一天，未来的人会发现邀请函的信息，并利用虫洞时间机器回到我的“爬梯”，证明时间旅行会在某一天成为可能。

现在，我的时间旅行的客人应该就要到了：五，四，三，二，一。但正像我说的这样，没有人来。真可惜，我希望至少未来的环球小姐能够赏光。那么，这个试验为什么没有成功？其中一个原因可能是因为时间旅行到过去有众所周知的“悖论”问题。

思考悖论是件有趣的事情。其中最有名的，通常被称为“祖父悖论”。我有一个新的、更简单的版本，我称之为“疯狂的科学家悖论”(Mad Scientist paradox)。

我不喜欢电影经常将科学家描写为“疯狂”，但在这一次是真的。这个家伙决心建立一个悖论，即便要他付出生命的代价。试想一下，不知何故，他建立了一个虫洞 - 时光隧道，只回到一分钟前的过去。

通过虫洞，这位科学家可以看到一分钟前的自己。但是，假如我们的科学家通过虫洞向他自己开枪。现在，他已经死了。那么又是谁在一分钟后开的枪？这是一个悖论，它在逻辑上没有任何意义。它产生的后果会让宇宙学家做噩梦。

这种时间机器会违反支配着整个宇宙的基本规则 – “原因”发生在“结果”之前，“结果”永远不会出现在“原因”之前。任何一种时间旅行的方法回到过去也许是不可能的，否则悖论就会出现。所以，恕我直言，看起来像回到过去的时间旅行是永远不会发生。恐龙猎手或许要失望，但是历史学家却得以安心。

重力引起的时间旅行

但故事并没有结束，并不是说所有的时间旅行都是不可能的。离开我们26000光年的银河系的中心，存在着银河系最重的物体。这是一个超大吨位的黑洞 - 包含400万个太阳因其自身重力而被压碎成一个点。你越接近黑洞，引力就越强。当靠得非常近，甚至连光也不能逃脱。像这样的黑洞对时间有很大的影响，比星系里其他东西更能让它放慢。这使得黑洞成为天然的时间机器。

我喜欢想象宇宙飞船也许可以利用这一现象，围绕着它，来完成时间旅行。如果一个航天机构正从地球指挥这一旅行，他们会看到，飞船每在轨道上转一圈需要16分钟。但对于在船上的勇敢的宇航员来说，因为接近这个巨大的物体，时间将放缓。船员的时间将减半，对于每个16分钟的一周，他们只体验到8分钟的时间。

一圈又一圈地转下去，只经历了远离黑洞的所有人的一半时间。飞船及船员是在穿越时间。想象一下，他们盘旋黑洞五年时间，别处则是过去了十年。当他们回到家，地球上的人都比他们老了五岁。

因此，一个超大质量的黑洞是一台时间机器。当然，它并不很实用。它比虫洞好的地方是不会引发悖论，再加上也不会因为一瞬间的反馈毁灭自己。但是，还是相当危险的。要走很多的路，而且也不能把我们带到很遥远的未来。幸运的是，还有其他方式进行时间旅行。这是我们建造时间机器的最后的和最好的希望。

光速时间机器

飞向未来不难，你只需要飞得非常、非常快。甚至比免于吸入黑洞的速度还要快。这是因为另一个有关宇宙的奇特的事实：宇宙有一个速度极限，每秒186,000英里(30万公里)，也被称为光速。没有什么能超过这个速度。这是科学确立的最重要的原则之一。信不信由你，以接近光的速度旅行，你就可以去到未来。

在瑞士日内瓦，座落着世界上最大的粒子加速器 - 欧洲核子研究中心(CERN)。地下深处，在一个16英里长的圆形隧道里，是一束数以万亿记的微小颗粒流。当电源接通时，它们在几分之一秒内从零加速到每小时60000英里。随着能量的增加粒子越转越快，直到它们在一秒钟呼啸隧道11000圈，这大约是光的速度。它们从来没有完全达到极限速度，最多只能到达光速的99.99％。这种情况下，它们也开始在时间中旅行。我们知道这一点，因为一些寿命非常短暂的粒子，称为派介子(pi-mesons)。通常情况下，它们在250亿分之一秒后就衰变。但是，当被加速到接近光速的速度，其寿命可以延长30倍之久。

真的就是这么简单。如果我们想旅行到未来，我们只需要走得快。我们做到这一点的唯一方法是进入太空。历史上速度最快的载人飞船是阿波罗10号，它达到每小时25000英里。但要想进行时间旅行，我们要超过这个速度2000倍(白露为霜注：原文如此，好像应该20000倍)。而做到这些，我们就需要一艘更大的飞船，一个真正巨大的机器 - 以承载巨量的燃料，将它加速到接近光速。如果全力加速也要花6年时间才能达到宇宙速度的下限。

开始时加速是温和的，因为船又大又重。但渐渐地它的速度加快，很快就会覆盖大段的距离。在一个星期内它会到达外行星。两年后它会达到光速的一半，并远离太阳系。再过两年，飞船将以光速的90％穿行。这时，飞船已经300000亿英里远离地球，它开始在时间中旅行。船上每过一个小时，地球上两个小时就过去了，情况同运行在巨大黑洞的轨道上的飞船类似。

再经过两年全速推进，飞船将达到它的最高速度，光速的99％。以这样的速度，在船上一天是地球时间的整整一年。我们的飞船将真正飞入未来。

时间变慢还有另一个好处。这意味着我们，在理论上，能够在人的一生完成非凡的旅行距离。一趟银河系的边缘的旅行只需仅80年(白露为霜注：相当于地球上过去了3万年)。但是，我们的旅程的真正意义在于，它揭示了宇宙是多么的奇妙。这里，时间在不同的地方按照不同的速度流淌；这里，微小的虫洞就隐藏在我们的身边；这里，我们最终有可能利用物理的知识穿越第四维，成为真正时间旅行家。

白露为霜注：英文好的读者请参阅霍金的原文：How to build a time machine

本文的图片和视频均来自网络

连接不同时空的虫洞

霍金的时光爬梯 - 请了爱因斯坦，牛顿，等

CERN的巨型强子对撞机(Large Hadron Collider)

《星际穿越》中飞船围绕黑洞

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