美剧The Big Bang Theory中的时光机

时光机、时间旅行永远是大家憧憬未来或会出现的划时代发明、科幻小说中接近不可或缺的元素。当中对大部份人来说回到过去的时间旅行必定比较吸引。试想像你可以随意回到过去，修补过去一些自己（认为）错误／后悔的决定，好像RPG 般重启人生，人生有take 2 那多好呢。

事实物理学上时间旅行又可不可行呢？虽然暂时尚未有确切答案，但小弟认为除了前往未来这个选项外，回到过去的时间旅行大概是不可能。霍金(Stephen Hawking) 的看法相似，并提出时序保护假说(Chronology protection conjecture) ，认为在宏观世界物理定律必然会阻止时间旅行出现，还曾经做过实验「证明」这个看法：

即使回到过去真的有可能，时间旅行都未必会如小说／电影般可以随意改变任何事物。个人倾向相信最多会好像《寻秦记》/《超时空拦截Predestination》般，你自以为在改变历史，但其实一切一早已经定好了。

(戴头盔先︰以上为「个人意见，不代表所有物理学界立场」)

时间旅行悖论

为何小弟如此认为？那是因为因果关系(causality)是理论物理学中一个很重要的考虑，甚至是根本的基础。物理上说的因果关系除了狭义宗教上指人的行为、「报应」外，还包括自然世界万物间的一切现象，探究一个现象／事件背后的成因、事物间的关系。如果真的可以任意改变历史，那会产生很多逻辑悖论，好像祖父悖论(Grandfather paradox)。

不牵涉人为决定、自由意志的祖父悖论物理学例子就好像向虫洞抛一个球，而虫洞的出口就是几分钟前的时空，球出了虫洞后撞番自己阻止自己跌入虫洞那样。

广义相对论虽然容许回到过去这类封闭类时曲线(closed timelike curves) ，但所有好像改变历史这些会做成悖论的时间旅行在相对论理论上都不容许，这个是诺维科夫自洽性原则(Novikov self-consistency principle) 。这个原则下只有《寻秦记》那类时间旅行理论上是容许的。

平行宇宙可以解决悖论问题？

回到时空造成的逻辑问题，很多人会用平行宇宙(parallel universes) 来解释，好像下面叮当第一幕的解释（off topic: 其实大雄比大家公认中来得聪明，渠在小学生时已经会问这些问题）。「条条大路通罗马」般，所谓回到过去只是去了平行宇宙的另外一个时空。

叮当时光旅行之诠释

网络图片

首先，从字面上严格来说，平行时空的定义就是平行，即宇宙间在时空上无任何交汇点。上面的例子物理学上用多重宇宙(multiverse) 这个词汇比较适合。(物理学上多重宇宙也分几种，有机会再详细谈)

理论上这个解答又说得通吗？在量子力学微观世界中这种看起来很荒谬的逻辑悖论的确是有可能存在，就好像薜丁格的猫。但那不一定代表宏观世界中都是如此。宏观世界是怎样建基于量子力学的诠释，微观世界怎样演化出宏观日常生活见到的世界。这个问题暂时尚未有答案。其中一个诠释——多世界诠释(many-worlds interpretation) 如果正确，那这个解答才有可能说得通。

用超光速、多维时空、虫洞可行吗？

时间旅行逻辑上可能说得通，但理论上又可不可行呢？

将物件加速至超光速是最常见大众认为「可行」的做法。可是相对论中最根本的基础就是时空结构中无讯息可以以超光速传递，不存在瞬间效应。不理会这个时空结构，将相对论的公式放在超光速的情况下推论出有回到过去这个可能性本身就有问题。如果超光速真的有可能，那理论上首先应该回到起步点，重新探讨时空的因果关系结构。而不是在时空的因果关系结构不变的假设下做任何推论，就好像当工序出错时，无理由盲目相信最后出来的结果会没问题。

除了「假设」相对论中超光速「成立」，用这推论回到过去的可能性之外，多维时空、虫洞(wormholes) 都是人们不时用来支持有回到过去可能性存在的理论。理论上又对不对呢？

虽然物理学中一直以来也有探讨四维时空以外还存在额外维度的可能性，好像现时理论物理学中炙手可热的弦理论(string theory)，但物理学家口中说的额外维度绝大多数只限于类似三维空间的维度。之前网上很多人share和讨论Rob Bryanton那段《Imaging the Tenth Dimension》youtube片描述那种时空绝不是物理学家口中说的多维时空。类似时间的维度如果多过一个，无可避免会做成不可预测、违反因果关系这些问题[1]。

另一方面，虫洞虽然是相对论中其中一个解，但事实上缺乏理据支持。原理上虫洞是将一个顺时的解和逆时的解，即黑洞(black hole) 和白洞(white hole) ，结合的解。虽然物理学上大部份理论个别看都是在时间轴上对称不变，但违反了有关熵(entropy) 的热力学第二定律好像白洞这类逆时的解在现实宏观世界上都不存在（虽然背后理论还是一个谜）。

退一步讲，即使虫洞、白洞理论上存在，自然界亦无任何天文现象可以产生白洞。连《Interstellar》的Cooper都说虫洞不可能自然产生。个人认为人为做到出来的可能性更低，要知道宇宙中自然现象可以涉及到的能量是远远超出人为可以达至的范围。而且虫洞理论上还是一个非常不稳定的系统，在任何东西可以穿越虫洞前它已经魂飞魄散。详细物理学家点睇虫洞存不存在可以参考Kip Thorne为《Interstellar》出的科普书[2]和《Scientific American》的文章[3,4]。

最后个人总结是回到过去这类时间旅行很大机会只是科幻小说／电影的产物，现实上可行的机会不大，虽然在还未有一套正确完整的量子重力(quantum gravity) 论之前可能性仍然存在。

PS: RIP 黄易

注：

[1] On the dimensionality of spacetime, Max Tegmark, Class.Quant.Grav.14:L69-L75,1997

[2] 《The Science of Interstellar》, Kip Thorne, WW Norton & Company Ltd, 2014

[3] Scientific American,  How to Build a Time Machine , 1 February 2006

[4] Scientific American, Are Wormholes a Dead End for Faster-Than-Light Travel? , 2 February 2017

写在最后，其实穿不穿越对我来说无所谓，只求马斯克下回发射去往火星的火箭带我一程即可，带不带我回来也无所谓！