物理学家、数学家和哲学家数十年来一直在探索前往未来或回到过去的可能性

作者：Manon Bischoff / 编辑：Daisy Yuhas

我们都有些想要挽回的往事。

可能是小事，比如考试不及格或和朋友吵架，也可能是改变世界的事件，比如2019年爆发并导致新冠大流行的疫情。

除了科幻故事之外，我们还没有遇到过时间旅行者。

但几十年来，从物理学、数学到哲学等多个科学学科一直在探索这个话题。

关于潜在时间旅行的大多数想法，其基础都来自阿尔伯特·爱因斯坦分别在1905年和1915年发表的狭义相对论和广义相对论。

凭借这些理论，他颠覆了我们对世界的理解。

根据爱因斯坦的理论，时间和空间并不是静止不变的量，而是可以根据情况拉伸或压缩。

换句话说，一根钢棒的长度并非在任何地点、任何时间都相同，一秒钟有时可以过得非常快，有时又非常慢。

后一点听起来可能很熟悉，一个小时的上课或工作时间可能度日如年，而和朋友在一起的一个小时则转瞬即逝。

但爱因斯坦关心的并不是对时间的感知，他谈论的是时间的实际流逝。

例如，根据相对论，地球表面的一秒钟与环绕地球运行的卫星上的一秒钟是不同的。

借助高速运动前往未来

爱因斯坦的狭义相对论使时间旅行成为可能，但只能前往未来。

正如这位物理学家所发现的，对于运动的观察者来说，时钟走得更慢。

因此，如果你登上宇宙飞船进行一次为期五年的太空往返旅行，而飞船以97%的光速飞行，当你返回时，地球上已经过去了整整20年。

这就是为什么NASA宇航员Scott Kelly在国际空间站上度过了11个月后，比他那留在地球上的双胞胎兄弟年轻了额外的13毫秒。

不过，不仅运动可以使时间变慢或变快，引力或加速度也可以做到这一点。

这是因为爱因斯坦认识到引力是一种几何效应：质量和能量弯曲了时空，而时空反过来又控制着大质量物体的运动方向。

你可以想象，恒星这样的重物会在时空中留下一个凹陷，这就是为什么行星等其他大质量物体会被它们吸引。

爱因斯坦的广义相对论建立了引力的几何图像：质量弯曲时空，从而产生我们所知的力。

© Mysid (CC BY-SA 3.0)

由于大质量物体极大地扭曲了时空，时间在其附近流逝得更慢。

克里斯托弗·诺兰的电影《星际穿越》探讨了这一想法。

在电影中，主角之一前往黑洞附近为人类寻找宜居行星。

当他在那片区域探索时，只过去了几个月，而他仍在地球上的女儿却已经衰老了几十年。

前往过去之旅

从技术上讲，广义相对论的方程也允许通过所谓的闭合类时曲线来实现向后的时间旅行。

沿着这些曲线行进，一个人从时空中的一个点出发，向后移动到过去，最终在空间和时间上返回其起点。

荷兰数学家Willem Jacob van Stockum在1937年首次发现了这种可能性。

为什么在广义相对论提出二十多年后才有了这一发现？爱因斯坦的理论允许无数种解，每一种都描述了一个不同的宇宙。

当爱因斯坦在1915年发表他的结果时，研究人员争相寻找尽可能接近我们宇宙的解。

但这并非易事。

计算通常极其复杂，而我们宇宙的许多性质仍然不确定。

例如，它是什么形状？质量在其中如何分布？

构成广义相对论基础的爱因斯坦场方程是微分方程。

这意味着它们描述了某些函数如何根据多个量而变化，例如空间的曲率如何随时间和空间变化。

概括来说，这些方程可以用一种看似无害的形式表达：Gμν + Λgμν = 8πG/c⁴ × Tμν。

方程的左侧处理空间的几何，其中Λ代表宇宙学常数。

右侧则包含物质部分，解释了大质量物体如何在空间中运动并反过来影响空间。

所有这些变量的背后是复杂的表达式，包括导数等微分算子。

一个方程，众多解

目标是找到某种几何形式和物质分布，使之满足上述方程。

天文学家卡尔·史瓦西在1916年是最早找到解的人之一。

他用这个解来描述静止的球形大质量物体周围的真空时空。

例如，这可以用来计算行星、恒星甚至黑洞附近的引力。

1963年，数学家Roy Kerr采用了与史瓦西相同的方法，但针对的是旋转的质量。

然而，他的解具有惊人的性质：这个解使得追踪一条沿着闭合类时曲线的路径成为可能。

这意味着，理论上，在这个系统中允许前往过去。

但这只能发生在克尔时空中一个不稳定的区域内，最微小的变化都会导致该区域坍缩。

因此，尽管克尔解很可能很好地描述了旋转黑洞外部的时空，但在其附近却不成立，而正是在那个区域，类时曲线才有可能。

在"内视界"内部，至少在理论上可以前往过去。

© Yukterez / Kerr Universe / CC BY-SA 4.0

但事实证明，克尔宇宙并不是爱因斯坦方程中唯一允许前往过去的解。

下周，我们将深入探讨狭义和广义相对论的其他解，并讨论它们如何提供了对宇宙、时间和空间的不同看法。

本文最初发表于Spektrum der Wissenschaft，经许可转载。

原文为德文，借助人工智能翻译并由编辑审校。