一直以來，你一定會有這樣的疑問：永恒流淌的時間，是真的摸不著看不見，還是有形狀和終點？我們所處的空間，是三維四維還是五維？我們能不能踏上時光機，任意穿越時空回到過去和未來？這里一本人人都能讀懂的相對論，用通俗幽默的語言講解深奧的科學(xué)道理。這不是一本書，這是一個全新的宇宙觀。

時間旅行

讓我們先從最讓你感到激動的時間旅行開始說起吧。

現(xiàn)在這年頭，穿越類的小說真多，儼然都成了各大文學(xué)網(wǎng)站和影視劇的一個大類，各種各樣的穿越手法真是五花八門，令人眼花繚亂，不過那種月光寶盒式的無厘頭穿越不在我們今天討論范圍之列。偶爾你也會看到一些對穿越行為的“科學(xué)原理”的描述，其中最多的是說“根據(jù)相對論，只要速度能超過光速，我們就可以回到過去” 。各位，以后凡是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(jù)相對論，超光速就能穿越”的科學(xué)原理簡直自相矛盾得一塌糊涂。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，那么相對論本身就被推翻了，又何談“根據(jù)相對論”呢？這是一個顯而易見的自相矛盾，那么多的“盲想小說家”把這個奉為至寶——但凡穿越，必超光速，實在是讓我異常驚訝。我一個樸素的愿望是蕓蕓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的物理學(xué)家研究的時間旅行到底有一些什么樣的科學(xué)原理和依據(jù)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(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家在探討這方面的可能性。根據(jù)廣義相對論，引力會使時空彎曲，引力越強，則時空的彎曲程度越大。也就是說，根據(jù)廣義相對論的這個原理，我們會發(fā)現(xiàn)時空不是平坦的，時空是有形狀的。我知道我這么說還是讓你感到不太容易明白，那么我就來打一些粗糙的比喻來幫助你理解。我們首先把時空想象成一張紙，我們在時空里面運動，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，那么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。

但是請千萬注意一點，在愛因斯坦的時空觀里，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，是高高低低的。

現(xiàn)在假設(shè)我們在一個平坦的時空中，上午8:00點出發(fā)，從時空的一頭運動到另外一頭，到達(dá)終點的時候，剛好是上午9:00點。（注意，前面我們已經(jīng)說過，任何物體在時空中運動的速度都是光速，所以，在這個比喻里面，你就不要再問我們的運動速度是多少這樣的傻問題了）?，F(xiàn)在再假設(shè)我們經(jīng)過的這段時空被某種力量彎曲了，那么我們達(dá)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(dá)終點。

現(xiàn)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達(dá)到終點。也就是說你沿著彎曲的時空走了一圈回來以后，發(fā)現(xiàn)到達(dá)的時間比你出發(fā)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(xué)原理是通過一個時空的圈環(huán)來回到過去，這個時空圈環(huán)在《時間簡史》這本書中被霍金稱為“類時閉合曲線”（有點拗口，我更喜歡我翻譯的“時空圈環(huán)”）。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(rèn)為時空能彎曲成一個圈環(huán)。直到1949年，他的好朋友——大數(shù)學(xué)家哥德爾（Godel， 1906-1978）在廣義相對論方程中發(fā)現(xiàn)了一個解，這個解居然允許宇宙中這種時空圈環(huán)存在。愛因斯坦當(dāng)時就震驚了，但隨后他就自己意識到這個時空圈環(huán)正是自己和助手羅森一起發(fā)現(xiàn)的“蟲洞”的某種特性（還記得我們在第五章最后講到的愛因斯坦—羅森橋嗎）。

非常抱歉，前面出現(xiàn)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(jīng)常被叫做魔比斯環(huán)，或者梅比烏斯帶、麥比烏斯帶等等，都是翻譯帶來的麻煩，英文名稱是Mobius Strip。這是諸多科幻小說、科幻電影經(jīng)常出現(xiàn)的一個神奇事物，它往往象征著時空穿梭。以它的發(fā)現(xiàn)者莫比烏斯命名，到現(xiàn)在也快有兩百年了。

看到?jīng)]，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后和另一頭粘起來，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。如果你拿一只毛筆，沿著紙面只用一筆就可以把顏色涂滿整個紙帶。這個圈圈和我們平常認(rèn)識的任何像手鐲這樣的圈圈不同，這個莫比烏斯帶這只有一個面，如果你沿著手鐲表面的中線一刀剪下去，那么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(fā)現(xiàn)，這個莫比烏斯帶不會一分為二，而是會成為一個更大的一個圈圈。然后你再沿著這個圈圈的中線剪開，你會神奇地發(fā)現(xiàn)這次剪出了互相嵌套在一起的兩個圈圈。然后把兩個圈圈再各自沿著中線剪開，又會變成互相嵌套的四個圈圈。這么剪下去永無止境，最后圈圈套圈圈復(fù)雜得可以把你搞瘋掉。你是不是很有沖動去試試看了？別忙，還有更有意思的特性。首先來跟我認(rèn)識一下所謂自然界中的“左右手系”對稱。想一下左右兩只手套，這兩只手套你怎么看他都像是對稱的，但問題是，如果你不把手套在空間中翻一個面的話，你永遠(yuǎn)也無法把兩只左右手套完全重合地上下疊在一起，就好像你怎么也不能把左手套在不翻過一面的情況下戴進(jìn)自己的右手中。不過，如果你讓一只左手套沿著莫比烏斯帶轉(zhuǎn)剛好一圈（不是兩圈），這只手套就會翻過一面成為了一只右手套，但是請千萬記住它的神奇之處就在于：如果手套有感覺的話，它根本不會發(fā)現(xiàn)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地運動，不知怎么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。

伽莫夫?qū)懙闹目破战?jīng)典《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(fā)生在三維空間中，我們的鞋子制造商就會大為欣喜，他們只要生產(chǎn)左腳的鞋子，然后通過莫比烏斯空間傳送帶轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一圈回來則發(fā)現(xiàn)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象，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(zhuǎn)的形狀呢？答案是有的，1882年德國數(shù)學(xué)家克萊因（Klein，1849-1926）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樣子，真正的克萊因瓶是沒法直接做出來的，因為真正的克萊因瓶是不會互相穿過的，這需要一點空間扭曲的想象力）。你盯著他看三分鐘，想象你在這個瓶子的表面跑步的情景，我保證你會越看越神奇，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(xù)看書。你想象一下，如果時空扭曲成這種神奇的形狀，那么你就完全有可能坐著宇宙飛船從21世紀(jì)出發(fā)，到19世紀(jì)返回，穿越了一個世紀(jì)的時間，如果繼續(xù)往前又會返回21世紀(jì)。

太神奇了，物理學(xué)家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(fā)現(xiàn)如果允許回到過去的話，會產(chǎn)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，你可能早已耳熟能詳了，就是你如果回到過去殺死了你的祖母，那么既然你祖母既然死了，你又怎么能存在？你不存在了又怎么能回去殺死你的祖母呢？我總覺得這個故事寫得拗口不已，完全沒必要這么復(fù)雜的嘛，簡單說來就是如果你回到過去殺死以前的自己的話，又怎么能有后面的你回到過去自殺呢。

總之，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(tài)的悖論說的是，你在未來給自己做了變性手術(shù)，然后回去找到自己，和原來的自己生下了自己。我真服了想出這個邏輯悖論的“淫”（人）。這些悖論又如何解決呢？物理學(xué)家們研究廣義相對論，確實用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)方法論證出了時空圈環(huán)的可能性，但是祖母悖論又顯然在挑戰(zhàn)我們的常識，沒有人能接受祖母悖論會真的發(fā)生。

現(xiàn)代的物理學(xué)家們?yōu)榇藸幷摬恍荩氤隽烁鞣N各樣的解決方案來避免邏輯悖論的發(fā)生，有代表性的解決方案有這么幾種：

第一種，叫做自由意志喪失說。物理學(xué)家說所有該發(fā)生的歷史都已經(jīng)發(fā)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?nèi)魏螝v史的一丁點。

第二種，叫做時空交錯說。物理學(xué)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(yuǎn)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曼（Feynman，1918—1988）的美國物理學(xué)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，什么都可以干。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(dāng)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臺了，在你那個世界中希特勒最后成了全世界的偶像。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(shù)個世界出來。但恰恰是最后這個看起來最瘋狂的理論，卻得到了最多物理學(xué)家的支持，包括像霍金這樣的大科學(xué)家也支持該理論（霍金《大設(shè)計》）。這就是現(xiàn)在大熱的“平行宇宙”說。

責(zé)任編輯：何妹