《信条》中的物理学（一）时间机器存在吗？
最近上映的电影《信条》里又出现了时空穿越的情节。时空穿越这事到底靠谱不靠谱？人类能制造时间机器吗？今天我们就来讨论一下这个问题。我们首先带着大家回顾一下爱因斯坦和他的相对论，再来介绍一下人类对时间机器的设想。
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爱因斯坦和相对论
在300多年前，牛顿在巨著《自然哲学的数学原理》中，阐述了他对世界的认识 ，以牛顿三定律、万有引力定律为基础的牛顿力学从此统治了物理学。物理学中最基本的问题无非是时间、空间与物质的关系，牛顿也曾经对这个问题发表过自己的看法，他说：
绝对的、真正的、和数学的时间，自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与其他外界事物无关地流逝着。绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的。 艾萨克.牛顿
这个轻描淡写的论述，就是牛顿对世界的看法。存在一个绝对静止的空间和一个一直在流动、与外界一切无关的时间之河，我们的宇宙就是处于这样的绝对时空之中。绝对空间中两个点的距离不会发生变化，时间之河里下游的人也永远不会回到上游。
艾萨克.牛顿
这种绝对的时空观统治了物理学200多年，直到二十世纪初，新的巨人爱因斯坦出现了。其实，大学期间的爱因斯坦表现并不出众，他和他的同学、后来的第一任妻子米列娃毕业时的成绩分列全班倒数第二和倒数第一。而且，在上大学的时候爱因斯坦经常逃课，被他的数学老师闵可夫斯基斥责为一条懒惰的狗。
米列娃与爱因斯坦
1900年，爱因斯坦毕业了，他没能留在学校担任教职，也没有找到合适的工作。甚至在报纸上刊登广告，希望做家教补贴家用。直到1902年，在大学同学格罗斯曼·马塞尔的父亲的帮助下，爱因斯坦才在瑞士的专利局谋得了一个小职员的工作。
1902年2月5日伯尔尼城市报：阿尔伯特.爱因斯坦，愿私人为大学生或中学生彻底讲授数学和物理学，本人持有苏黎世联邦学院的教师资格证书，家住正义街32号1楼，试听免费。
爱因斯坦的人生经历听起来平平无奇，谁都不会想到，在1905年，爱因斯坦宛如获得了智慧女神的祝福，一年之内连续发表了六篇划时代的论文，这一年被称为爱因斯坦奇迹年。这六篇文章中，有一篇名叫《论动体的电动力学》，它还有个更响亮的名字——狭义相对论。
在这篇文章中，爱因斯坦提出一个观点：时间并不是永恒流逝的，空间也并非绝对不变，时间和与空间都与物体的运动速度有关系。如果你运动速度快一点，别人看来你的时间流淌速度就变慢了，空间长度也缩短了。
这和牛顿的时空观完全不同，牛顿认为时间就像一条河流，里面所有的人都跟着河流一起往前走，谁也不会快一点或者慢一点。可是，爱因斯坦却认为这只是因为运动得不够快——如果一个人运动的速度接近光速，就会发现时间流逝的速度发生了明显的变化，这就是狭义相对论告诉我们的内容。
狭义相对论刷新了物理学家的三观，但爱因斯坦并不满足于他的成就，他始终在思索如何把万有引力也纳入到自己的理论框架之中。终于，在1915年，也就是发表狭义相对论十年之后，爱因斯坦又提出了广义相对论。
广义相对论的内涵比狭义相对论丰富的多，他认为：时空不仅仅跟物体的速度相关，还跟空间内部物质的质量相关。如果有一个物体质量特别大，它会对时空产生明显的影响，造成时空弯曲，这种扭曲就是引力的来源。
大质量天体造成时空扭曲的示意图
我们来比较一下平直空间和弯曲空间。一个平面可以看作时一个平直空间，如果画一个直角三角形ABC，三个边的长度就会满足勾股定理：a²+b²=c²。
此时，我们可以把这个空间叫做一个欧几里得式的平直空间，如果物体在这个空间中不受到外力作用时，就会保持静止或者匀速直线运动，这就是牛顿第一定律的内容。爱因斯坦认为：因为在平直的空间里两点之间的直线是最短的，所以物体才会沿着直线运动。
那么，弯曲的空间时什么样子呢？我们再打一个比方：一个球面上有两个点A和B，从A到B的最短路线是什么呢？注意：我们不允许在球体上打洞，要求路线必须在球面上。
这个问题难不倒数学家们，其实只要我们球心O为圆心，在球面上做一个经过A和B的圆，这个圆叫球上的大圆。大圆被A和B分割成两段弧，比较短的这一段弧——大圆劣弧就是AB之间的最短距离。如果用一个更专业的词，这叫做测地线，球面上的测地线就相当于平直空间中的直线。
现在我们已经知道了球面上直线的概念了。现在我们在球面上画出三个点A、B、C，做出它们之间的测地线，并且，我们可以通过设计让其中两条测地线互相垂直，这样我们就做出了一个球面上的直角三角形。但是，在这个直角三角形中勾股定理是不成立的，a²+b²≠c²。我们就称这个空间是弯曲的空间。
爱因斯坦的大学老师闵可夫斯基提出了四维时空的概念：这个空间中的每一个点具有三个空间坐标x、y、z，和一个时间坐标t，通过这种方法可以方便的计算两个点的时间和空间间隔，也能比较清楚的阐述过去、现在和未来的概念。在狭义相对论中，虽然认为时间和空间都与速度有关，但是依然认为这个时空是平直的。
可是在广义相对论中，爱因斯坦对宇宙提出了更深刻的认识：时空是弯曲的，弯曲的程度取决于质量的分布。在弯曲的空间中，光就会沿着最短的路径——测地线运动，这个测地线是四维时空中的最短路径。除了光以外，其他物体的运动规律也会受到空间弯曲程度的影响。
举例来说：太阳的存在造成了太阳系附近的时空发生了弯曲，地球就是这样一个弯曲的空间中做惯性运动的。引力并无存在意义，我们只需要通过宇宙中质量的分布求出弯曲的情况，就能理解所有天体的运动规律了。
为了通过质量分布求出时空弯曲的情况，爱因斯坦提出了一个著名的方程——引力场方程，这个方程非常的复杂，但是通过求解这个方程，科学家们获得了很多有趣的结果。
引力场方程
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引力场方程的解
引力场方程最著名的一个解就是黑洞，我们在之前讨论过这个问题，此外，人们还通过这个方程了解了宇宙膨胀、宇宙大爆炸等等关于宇宙的规律，爱因斯坦预言的引力波也在最近几年得到了证实。在引力场方程丰硕的成果中，哪些是与时间机器有关的呢？
1906年，匈牙利诞生了一位数学家、逻辑学家和哲学家哥德尔，他被称为二十世纪最伟大的逻辑学家之一，因提出哥德尔不完备定理被人们熟知。
库尔特·哥德尔
1949年，哥德尔得到引力场方程的一个解，现在我们称之为哥德尔宇宙，这是一个不膨胀且高速旋转的宇宙，它依然符合引力场方程。而且，因为宇宙高速旋转，会引起时空的强烈扭曲，出现一些奇特的物理现象。
三个物体A、B、C在哥德尔宇宙中的时空轨迹
我们在哥德尔宇宙中画出一个时空图，它的横坐标是物体的空间坐标r，纵坐标是时间坐标t。A物体的时空坐标都在均匀增加，表明它一直在朝着一个方向匀速直线运动；B物体的时间坐标在增加，但空间坐标出现了反复，说明它一会儿向前走，一会儿向后走。
神奇之处在于：哥德尔宇宙允许物体C这样的时空轨迹存在——C从一个点出发，运动了一圈后，又回到了出发的时空点，这表明它不但在空间中回到了原位，在时间上也回到了出发的时刻——我们就称之为时间闭环。
有了时间闭环就可以实现时空旅行了，一个人活了一辈子，快死的时候发现回到了出生的医院，周围是当年接生的医生，他又重新呱呱坠地。如果大家对这个话题感兴趣，可以看一部比较烧脑的电影《前目的地》，电影中的情景在哥德尔宇宙中是可能的。
电影《前目的地》剧照
很遗憾，我们所在的宇宙从观测上看，并不满足哥德尔宇宙模型。但是说不定，在另外一个时空中存在哥德尔宇宙呢？那个宇宙中的外星人看待穿越时空，也许就像我们看待生老病死一样习以为常。
美国天闻学家法兰克·梯普勒提出了另一种制造时间机器的方法——梯普勒圆柱。
梯普勒
梯普勒说：在我们的时空里进行时间旅行也并非不可能，只要你造一个无限长而且密度无限大的圆柱体，让这个圆柱绕着中间的轴旋转。旋转的过程中，这个圆柱体会造成周围时空的强烈扭曲。当有一个人在圆柱的的附近，就会被圆柱带回到过去了。
梯普勒圆柱
只可惜，这个长度无限长、密度无限大的圆柱，也只是在理论上是有可能的。
在我们的宇宙中，究竟有没有办法，制造一台穿越时空的机器呢？很遗憾，著名的物理学家霍金说：不可以。
霍金是以研究黑洞而闻名的，对看不见摸不着的黑洞都深信不疑，按说应该对穿越时空也抱有很大的热情。但是霍金却说：在有限的空间，能量处处非负的条件下不可能造出时间机器，因为这会产生一个时空的奇点。在奇点上，任何物理规律都会失效，这个方案根本是行不通的。
不过，科学家们说：会不会存在一种低于真空能量的能量呢？如果负能量存在，就可以在不违反霍金论述的情况下，造出时间机器啦。1988年，由加州理工的教授索恩以及他的学生莫里斯再次提出了一个猜想——通过虫洞进行时空旅行。
虫洞旅行假想图
其实，早在1930年，爱因斯坦和罗森就已经设想虫洞了。我们知道：黑洞是可以把所有的物质吸进去，就连光都无法逃脱；宇宙中还可能有一种奇妙的天体——白洞，它会不断往外喷出物质。现在，我们把黑洞和白洞连到一块，物质被黑洞吸入，又从白洞被喷出，它们中间的通道就叫做虫洞。
爱因斯坦-罗森桥
大家看：原本A和B两个点在四维时空中相距甚远，从A发出的光如果沿着测地线运动，也需要很长时间才能到达B。但是，假如由于大质量天体的存在，让时空发生了强烈的扭曲，A和B就会变得很近很近，此时只要在A处加一个黑洞，B处加一个白洞，我们从A处跳进去，一瞬间就能到达B处。也许这意味着一瞬间我们到达了千里之外，也有可能我们到达了未来，或者回到了过去。索恩等人就是把爱因斯坦的这种设想进行了具体化。
虫洞假想图
我们之前讲过，黑洞拥有巨大的质量，所以才有强大的引力，把物质吸进去。而白洞刚好相反，它对物质没有引力，反而有排斥力，它会向外喷东西。正常质量的物质都会有引力，所以白洞中的物质不能是正常物质，必须是一种叫做奇异物的特殊玩意。奇异物是一个非常新奇的物理概念，它的质量是负的，能量也是负的，这就使得时间旅行与霍金的理论不冲突了。
怎么样？大家想不想制造一个虫洞？其实，虫洞在目前看，依然是只能停留在理论中。有科学家们曾经算过：一个人要想掉进虫洞里，在黑洞一侧会承受巨大的拉伸力，到了白洞一侧又要承受巨大的挤压力，这个力可以把人撕碎成亚原子。
穿越虫洞的人
要让人的受力尽量小，造出来的虫洞必须得大一点，这就要收集更多的奇异物。然而到现在，我们连白洞和奇异物的影子还没看到呢！
在我们有生之年，造出时间机器几乎是不可能的。不过，以前的人们也认为登月是不可能的，现在我们也完成了这个伟大的壮举。现在我们认为不可能的时间机器，说不定在未来也会被人类制造出来呢。
电影《时间机器》剧照
不过，时间机器一旦被造出来，就会产生一些自相矛盾的怪事，比如著名的祖父悖论：一个人能通过时间机器回到过去，把自己的祖父杀死吗？关于这个话题，会在下一回再给大家做介绍。
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