时光机器和虫洞
《新京报》的《新知周刊》两个礼拜前让我写一篇关于时光机器和虫洞的茶座文章，一直拖到今天深夜才找到时间写。文章要求1500字，所以写出来的东西对这个博客的读者来说肯定显得太浅，因为没有空间展开。下面是这篇刚刚速成的文章。
时光机器和虫洞
自从有了爱因斯坦的广义相对论以来，时光机器成了物理学家的一个严肃的研究对象。在此之前，科幻小说作者赫伯特·乔治·威尔斯在1895年写了一部小说《时光机器》，小说的主角是一个业余发明家，发明了一部可以在时间中旅行的机器。将时间看成第四维：如同我们可以从空间的一点走到另一点，时光机器可以帮助他从一个时间走到另一个时间，既可以走到未来，也可以回到过去。
《时光机器》与其说是一部科幻小说，不如说是一部政治小说，因为作者想通过时间旅行者传达一个观点，资本主义的发展可以使得人类和社会退化，就像时间旅行者旅行到未来所看到的那样，富有阶层在80万年后演化成没有智力、不会生病、不需要工作从而虚弱的人种，而劳动阶层演化成野性十足的类似大猩猩的人种。在更加遥远的未来，地球停止自转，水星和金星被太阳吞食，
渐渐地太阳变成红巨星，地球上不再存在生物。
在物理学中，走向未来并不困难，因为我们每个人都在走向未来。问题是，我们能不能在有生之年走向遥远的、超过我们寿命的未来？这在狭义相对论中也不困难。所谓的双生子佯谬，说的就是这种可以发生的事，只要我们乘上速度接近光速的飞船，飞完一圈后回到地球，我们就会发现本来和我们同时的人比我们老很多，甚至不存在了，这是相对论时间缩短效应，我们的时钟相对地球的时钟变慢了，从而我们也显得年轻了（我们身体内部的一切过程都变慢了）。引力场也会起到同样的作用，假如我们能够到一个黑洞的边缘旅行一次再回来，也能在有生之年走到遥远的未来。当然，现代技术还不能够实现这个理论上是可能的事。
要想回到过去就很困难了，至少在狭义相对论中这是不允许的事。因为这个理论有两个基本限制，第一我们的速度不能超过光速，第二我们不能回到过去。其实，稍微想一下，回到过去要求一个奇怪的现象发生，就是我会遇上过去的我。如果我们将空间和时间想象成一个四维空间，我的生命轨迹就是一个闭合线，这是狭义相对论所禁止的。广义相对论就不同了，表面上看，这个物理理论允许闭合线存在。这里我们必须强调一点，这种允许时间了旅行的闭合线的一个特点让我们称其为类时闭合线。理由是这样的：三维空间中当然存在闭合线，这样的闭合线叫做类空闭合线。要求我们的生命轨迹是闭合线就要求顺着这条线，主要是时间在变化，而不是空间在变化，这就是类时闭合线了。广义相对论认为时间和空间是弯曲的，原则上类时闭合线就存在了。如果类时闭合线存在，就会引起无数荒谬的事情发生，例如，当一个人回到过去遇到早年的自己时，也许他会发疯杀死早年的那个自己，自然也就不会有将来的自己，也就不可能回到过去，再杀死自己。
不过，在爱因斯坦的理论中，时空弯曲是物质引起的，就像电磁场的存在是电荷和电流引起的一样。爱因斯坦的方程到底允许不允许类时闭合线的存在？在非常特殊的情况下，的确可以，例如在一个旋转的黑洞内部。就存在类时闭合线。有些人认为，当我们将量子力学的效应包括进来的时候，类时闭合线就不再存在了，也就不会发生前面提到的荒诞的事件。
公众感兴趣的另一个话题是虫洞。虫洞其实就是一种从空间一点到另一点的捷径。如果相对论不允许超光速存在，那么我们就不可能访问远离我们的天体。想象一下，银河系的最大直径是10万光年，也就是说，光从一端走到另一端要化10万年时间，所以人类在有生之年不可能访问哪怕是银河系内的足够远的星球。将相对论的时间缩短效应加进来，也许旅行者自己可以访问那个星球，当他回来时，早已物是人非了，这种旅行对没有旅行的人没有任何意义。如果虫洞存在，也许我们就可以做到这一点了。的确很难在我们生活的三度空间中想象虫洞，下面我们用一个两维的平面的例子类比虫洞。取一张白纸，将白纸弯曲过来，如下图。很明显，一个平面动物沿着红线指示的方向走，从一点走到另一个相对的点可能会很远。如果我们在这两个相对的点加上一个同样是两维（也可以是纸做的）的圆筒，现在平面动物顺着绿线指示的方向沿着圆筒走，路途就近多了。我们常常说到的虫洞就是三维空间中的这样的“圆筒”。
与时间旅行相反，即使是爱因斯坦的理论也不允许虫洞的存在。当然，现在还没有人能够严格证明这一点，但人们在研究方程的时候常常发现负能量才能够产生虫洞。虫洞如果存在，也能够被利用制造时光机器。将虫洞的一个出口相对另一个出口加速绕一圈再回来，就能形成时光机器了。
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编辑徐德芳兄还附来一篇新浪科技的稿子，我将它贴在下面
注：下面提到的米奇奥-卡库其实是日裔美国人，人名不该这么翻译。
科学家称人类无法通过时光机器回到过去(图)
http://www.sina.com.cn 2007年03月09日 15:13 新浪科技
据美国有关媒体3月9日报道，在各种科幻小说中，时光旅行是最令人激动的设想之一。人们设想在登上时光机器后，可以在瞬间回到他所希望前往的那个时代。那么，人类是否真的进行时空旅行？是否真的可以通过机器回到过去？美国科学家近日表示，时光旅行只是一种美好的想法，在现实中是根本不可能实现的。
美国哥伦比亚大学物理学家、畅销书作者布莱恩-格林说，很多人都有过进行时光旅行的想法，他们或者是为了与故去的亲密爱人重逢，或者是希望能制止惨绝人寰的杀戮等。时光旅行不失为一种美好的愿望，它为各种科幻小说提供了绝妙的素材。关于如何回到过去，人们曾进行了无数的设想。”这些设想，如果仔细推敲，都是在跟物理学打擦边球。我们认为，所有这些设想，几乎无一成立。”
第四度空间
在物理学上，时间被认为是除了长、宽、高之外的第四度空间。当你从家里走到零售店时，你在空间的三个维度都作了位移：长度、宽度、高度。其实，你也在第四维度–时间维度–进行了运动。
美国纽约城市大学天体物理学家、《空间：我们在宇宙中的家》一书的作者查尔斯说，”时间和空间在时空四维构造中密不可分”。查尔斯进一步解释说，时空可以看作是一块四维的弹性纤维。”当任何有质量的物体–你、我、以至一颗行星或其它星星–落到这块纤维上时，它就会激起一片涟漪。这个涟漪，相当于由带质量的物体引起的时空弯曲”。时空弯曲使物体沿着一条弯曲的路线运动，空间的曲率就是我们所熟知的重力加速度。
查尔斯还表示，根据天体物理学理论进行的推测表明，对于空间上的三个维度，人们可以来去自如。但对于时间维度，人们就无法如此自由了。在四维时空中，对于时间维，人们只能向前，不可能向后倒退。
回到过去的时光隧道
关于时光旅行，人们有过很多美丽的遐想，最成熟的一个设想是通过虫洞。人们设想，通过虫洞，可以将两个不同的时空连接在一起。相连的两个时空，可以是两个完全不同的宇宙，也可以是同一宇宙的两个不同地方。任何物体都可以通过虫洞，从一个时空自由出入另一个时空。
美国纽约城市大学物理学家、《自由空间》和《平行世界》两本书的作者米奇奥-卡库说，”虫洞连接着将来，也连接着过去。但我们别太乐观了，因为供应时间机器的燃料绝不是人类目前的技术所能达到的”。卡库说，在时空这个物体上”钻孔”，需要一颗星星那么大的能量，或者相反，需要来自比”无”还要少的其它星体上的”负能量”。
超弦理论专家格林对上述设想提出质疑。超弦理论主张宇宙万物都是由一连串紧密排列的微细能量组成，随着它们不同的震动模式而衍生出不同的状态和现象。
格林说，”很多人对这种做法是否管用持怀疑态度。最乐观的估计是，如果你能打开这样一个孔，你就能从一个地点快速到达另一个地点，或者从一个时刻迅速赶往另一个时刻。”
宇宙弦理论
另外一个时空旅行爱好者津津乐道的理论是宇宙弦理论。宇宙弦理论说的是，在不断膨胀的宇宙中，有贯穿整个宇宙的能量管。这些细细的管子，是早期宇宙的残留，据说质量非常之大，可以造成周围时空的巨大弯曲。
里查德-格特是美国普林斯顿大学的天文物理学家，曾著有《在爱因斯坦的宇宙中作时空旅行》一书。里查德-格特说，”宇宙弦或者是无限长，或者是成环形，它们没有起始点。它们就像意大利面条那样，或者是围成圆形的意大利面条。两种弦理论是互不干涉的。由于它们都能给时空带来巨大弯曲，因此它们在理论上都给时光旅行提供了可能性。这是一个只有超级文明才有可能达到的目标，这远不是目前的我们所能做到的。我们甚至连自己星球上的能源都控制不了。”
但是，仍有一些科学家认为，回到过去在理论上是可能的，虽然这不大符合实际。里查德-格特同时也认为，人类可以在地球上看到某些短暂的宇宙粒子。对于人类来说，这些粒子的行程大约有数千年，但粒子感觉其穿越太空、到达地球的过程仅仅用了几分钟时间。实际上，这些宇宙粒子已经进入了未来。基于爱因斯坦的理论，可以将空间充分扭曲来制造一个局部的重力场，就如同一个能够以任意大小呈现的炸面包圈一样。重力场绕着这一炸面包圈围成一个圆圈，这样就使得空间和时间都能紧紧地”弯曲”到过去。尽管很难描述这一”炸面包圈”在现实生活中的样子，但数学公式显示，时光机器中每一阶段的时间都将在”炸面包圈” 内的某一个空间内产生。
理论上说，在时光机器制成后回到过去的任一时间都是可能的。但到目前为止仍然有一个小小的障碍还未得到解决，那就是如何产生重力”炸面包圈”。科学家们进行过大量研究和思考，发现可能需要推动一个高质量物体做高速圆周运动。
时光旅行难成现实
查尔斯在接受记者采访时说，从数学上讲，你当然可以说某种东西正沿着时间轴往后退。但在实际上，无论是你还是我，都无法回到过去。
卡库也表示了相同的观点，他说，如果存在一个万能理论的话，人类就可以通过时间隧道解决所有的上述难题，看时间旅行是否真的可行。”但这需要比我们目前的科技能力要先进得多得多的技术。不要幻想明天就有一个年轻天才在报纸上发表声明，说自己已经发明出了什么时间机器。”
格特目前正在担任一部关于时光旅行的电影《超时空效应》的科学顾问。他在接受记者采访时表示，目前，关于在时间维度进行旅行，唯一确定的是每过去一分钟，我们就向未来迈出了一步。所以，对于那些想知道地球在一百万年之后是什么样子的人，科学家们有好消息等着他们。”如果你想知道地球在一百万年以后是什么样子，我可以告诉你怎么做”。格特给出的方法是：建造一艘宇宙飞船。以光速行驶一定的时间，然后再回到地球。当你走出飞船的那一刻，你可能就在一百万年之后的地球上了，而你本人，可能才只长了一岁。这样，你去未来地球旅行的愿望就实现了。
(刘妍)
2007年4月4日 10:43:56
susy: 我在Weinberg书上没找到这段讨论，能否告诉我它在哪？
我对这个问题的理解是这样的：如果事先给定一个状态，这个状态本身是CP不对称的，例如现在的宇宙，正粒子明显比反粒子多，再例如实验室中制造的一个K0，K0bar系统。在这样一个状态下，T破坏可以给出一个时间箭头。但是如果不事先给定状态，则由CPT定理，单独的T破坏不能给出时间箭头。
因为只要T和别的变换捆绑在一起是守恒的，例如CPT，由于事先并没有定义空间箭头也没有定义电荷箭头，所以最后不会出现时间箭头。
2007年4月4日 18:07:56
在第三章吧，感觉那段比较晦涩。
2007年4月27日 9:37:35
李老师：
您好
我对您研究的东西很感兴趣，为此还专门申请了一个论坛想供国内有同样爱好的网友交流探讨。但是论坛建立后还一直没有人来加入，因为这方面的内容对于普通人来说显得太深奥、太专业，而且国内这方面真正有价值的资料也极其难找。我想请您有空去那里看一看，如果可能，最好能发表一点宝贵的意见和评论，支持一下。
→反重力推进实验室
2007年4月27日 9:42:21
联邦安全部：
我给你的论坛加个链接在这里吧，就在论坛分类里。
2007年4月30日 2:54:33
hello, 潛水了一陣子
我是從賀培銘老師網頁上的鏈結上連過來的
看到這邊的討論挺有意思
問個問題
哥本哈根那套量子態會莫名奇妙collapse的解釋，我們現在還需要這個東西嗎？我怎麼以為可以不要了… 用many world 還是什麼wave function disentangle 來解決(I’m not sure this is the right phrase…)
本科的時候第一次學到這東西就覺得很不舒服
突然有個很 discontinuous的假設
2007年4月30日 11:37:14
topquark：
欢迎。
现在流行的解释是decoherence。
2007年6月14日 15:00:07
用其它原理替代光速不变原理,狭义相对论还有成立的可能性.虫洞隐含着把广义相对论推广到了不该应用的范畴.
2007年7月12日 14:10:09
李老师:
我是一名十七岁的女生但我对天文很感兴趣,我想问一个简单的问题:我们都知道物体在下落的过程中速度会不断增加,那么在一个物体不断下落的过程中,加设他没有烧毁或者开裂,不发生任何损坏,那么,他在达到光速的一刻,会不会继续加速?如果不大有这个可能,又可能发生什么?
2007年7月12日 15:59:43
融院：
在任何力，包括引力的作用下，物体会加速，当速度很大时，应该用相对论给出的公式，物体只会无限地接近光速，而不会达到光速。
2008年9月29日 11:28:47
李老师:
假如AB两物向完全相反的方向飞各达0.6光速,A对B来说是不是达到了1.2光速?
或A以0.6离开B,然后C以同方向0.6离开A,是否可以说C对于B达到了1.2光速?
因为文化不高,若提出问题很荒唐请原谅！
2008年9月29日 13:54:31
to 糊涂
代答一下。因为速度很大，你不能再用伽利略速度叠加公式那么简单地相加。应换成相对论公式，那样计算相对速度就不会超光速的。
2008年9月29日 14:19:59
abada：
谢谢解释。
糊涂：
相对论速度相加公式是（假如两个速度平行）：
这样，如果我相对A的速度是0.6，B相对我的速度也是0.6，那么，B相对A的速度就是
1.2/(1+0.36)=1.2/1.36=0.88……
恭喜发财。
2008年9月29日 15:53:06
李老师：
这是我转贴别人的一篇文章，您觉得有道理么？篇幅太长，加在评论中恐有不妥，希见谅！
时间旅行
【时间旅行的定义】
时间旅行的概念最早出现在科幻作品中，它是最令人激动的想法之一，登上时间机器，一个人就可以利用控制系统确定任何一个日期（过去或未来），然后时间机器就可以在瞬间将他带到那个时代。问题是时间机器会产生明显的悖论，一个人可以在他自己出生之前杀死他的父亲，从而阻止他自己出生。有些科学家认为，大自然总是巧妙的智胜进行时间旅行的人们，使他们无法完成可以形成任何悖论的行为，也就是说，你无法杀死你的父亲，亦或是他自己。但是这种解释太过于牵强。
实际上时间旅行这个概念本身还是模糊不清的，人们对它极大的兴趣恐怕还是源于对时间的过去未来的强烈好奇心。我们来描述一种回到过去的情形，比如你乘座时间机器回到了过去，看到了你自己，这意味着你必须在童年看到过一个成年的自己。因为否则就不能自洽，就不能称为回到过去，充其量是见到一个和过去的世界类似的世界。既然是回到过去，就不容一丝一毫的偏差。而同样，你所见到的哪个你在未来同样要乘座时间机器再回到过去。而“他”的未来似乎已经由你演绎了，同样你的未来也已经有一个“你”，也就是你童年见过的哪个“你”演绎过了。而这似乎说一切都已经确定了，大家都在演绎确定的历史而已。然而显然我们是可以介入这“历史”的，时间机器存在的话就意味着你会知道结果，而你可以改变这结果，这就是悖论。时间和宇宙在朴素的概念上都具有唯一性，也就是说，如果宇宙之外还有一个宇宙，人们自然会把这两个宇宙合称为一个宇宙。但是在纯逻辑推理下，确实可以有另一个宇宙（甚至是多宇宙），这两个宇宙都在独立按自己的规律发展着，时间旅行就是进入另一个宇宙，你可能会见到另一个宇宙的你。当然在严格推理下这种解释同样有很多的漏洞，两个宇一但有联系的话，相互的影响是有很多问题需要协调的。
实际上时间是没有方向性的，时间和空间都是我们在描述现实的物质世界时引入的抽象概念，它不是如物质粒子这样客观的实体，是为了对现实世界进行数学描述时引入的一种度量概念。时间与空间在这些数学公式中的地位是极其相似的，但是有一点不同，时间是不能静止的，它总给人一种在不断“流逝”的感觉。但事实上这是因为世界是在不断变化中的，这才是让我们认为时间在“流逝”的根本原因。如果你被时间这个概念困惑的话，不如说，时间根本是不存在的，存在的不过是一个不断演化的宇宙。时间的概念就是对这个演化宇宙进行描述时产生的，但是现在我们竟然希望用自己意识里的一个概念来主宰宇宙的变化规律，希望看到时间的逆转或者时间的旅行。你可以使用任何技术手段来探知过去和未来的信息，亦或构造过去或未来的现实。你甚至可以在理论上构造多宇宙，产生各种令人惊奇的理论，只要它们没有违反物理规律，并且有严格的数学推理。但是这些都不是时间旅行，不要试图在时间上跳到未来。
时间确实是可以有快慢之分的，强引力下的时钟会变慢，如果一个人在这种强引力下没有被分解掉的话，在他回到地球时，的确会比其它人年轻。但是时间绝不会倒退，和空间哪样可以沿反方向行进。在狭义相对论中，运动的越快，时间就越慢，所以人们会说当超过光速的时候，时间就会倒过来。但是你应该发现对于超过光速的运动，哪个变换因子成为一个虚数，而只有负数才应该被认为是时间的逆转。
在现有的科学体系下，时间具有严格的单向性。在所有的物理定律中，只有热力学第二定律带有时间方向箭头，这就给人一种时光流淌消逝不再的感觉。因此回首检阅过去，或者提前观瞻未来，成为人类的一个永恒梦想。
【相对论】
目前，人们对时间最完善的理解来自爱因斯坦的相对论。在相对论问世的1905年，爱因斯坦在他的相对论中说：时间是相对的，当我们以接近或超过光速的运动的时候，时间会很慢或静止，也就是说，如果一个人以接近光速旅行，那么时间对他来说就会停滞，这太令人振奋了，当人乘坐接近光速的飞船去旅行，在旅行的过程中时间就会变慢，因此，当他再回到地球的时候就可能已经过了一个世纪。对他来说，只要花很少的时间就能进入未来世界。之前，时间被广泛地认为是绝对的和普遍的，不管人的运动状态如何，时间对于每个人都是一样的。但是，1905年爱因斯坦的狭义相对论指出：
【时间旅行的可能性】
时间旅行的可能性在理论物理研究领域一直被很严肃地探讨着。
H•G•韦尔斯在《时间机器》中探讨了这些可能性，正好像其他无数的科学幻想作家那样。科学幻想的许多观念，如潜水艇以及飞往月亮等等都被科学实现了。那么，时间旅行的前景如何呢？
1949年库尔特•哥德尔发现了广义相对论允许的新的时空。这首次表明物理学定律的确允许人们在时间里旅行。哥德尔是一名数学家，他因证明了不完备性定理而名震天下。该定理是说，不可能证明所有真的陈述，哪怕你把自己限制去证明在像算术这么一目了然而且枯燥的学科中所有真的陈述。这个定理也许是我们理解和预言宇宙能力的基本极限，然而迄今它还未成为我们寻求完整统一理论的障碍。
哥德尔在和爱因斯坦于普林斯顿高级学术研究所度过他们晚年时通晓了广义相对论。他的时空具有一个古怪的性质：整个宇宙都在旋转。人们也许会问：“它相对于何物而旋转？”其答案是远处的物体绕着小陀螺或者陀螺仪的指向旋转。
这导致了一个附加的效应，一位航天员可以在他出发之前即回到地球。这个性质使爱因斯坦非常沮丧，他曾经以为广义相对论不允许时间旅行。然而，鉴于爱因斯坦对引力坍缩和不确定原理的无端反对，这也许反而是一个令人鼓舞的迹象。因为我们可以证明，我们生存其中的宇宙是不旋转的，所以哥德尔找到的解并不对应于它。它还有一个非零的宇宙常数。宇宙常数是当爱因斯坦以为宇宙是不变时引进的。在哈勃发现了宇宙的膨胀后，就不再需要宇宙常数，而现在普遍认为它应为零。然而，之后从广义相对论又找到其他一些更合理的时空，它们允许旅行到过去。其中之一即是旋转黑洞的内部。另外一种是包含两根快速穿越的宇宙弦的时空。顾名思义，宇宙弦是弦状的物体，它具有长度，但是截面很微小。实际上，它们更像在巨大张力下的橡皮筋，其张力大约为1亿亿亿吨。把一根宇宙弦系到地球上，就会把地球在1/3O秒的时间里从每小时零英里（1英里= 1.609公里）加速到每小时60英里。宇宙弦初听起来像是科学幻想物，但有理由相信，它在早期宇宙中可由对称破缺机制而产生。因为宇宙弦具有巨大的张力，而且可以从任何形态起始，所以它们一旦伸展开来，就会加速到非常高的速度。
哥德尔解和宇宙弦时空一开始就扭曲，使得总能旅行到过去。上帝也许会创生了一个如此卷曲的宇宙，但是我们没有理由相信他上帝会这样做。微波背景和轻元素丰度的观测表明，早期宇宙并没有允许时间旅行的曲率。如果无边界设想是正确的，从理论的基础上也能导出这个结论。这样问题就变成：如果宇宙初始就没有时间旅行所必须的曲率，我们能否随后把时空的局部区域卷曲到这种程度，以至于允许时间旅行？
快速恒星际或星系际旅行是一个密切相关的问题，也是科学幻想作家所关心的。根据相对论，没有东西比光运动得更快。因此，如果我们向我们最近邻的恒星α-半人马座——发送空间飞船，由于它大约在4光年那么远，所以我们预料至少要8年才能等到旅行者们回来报告他们的发现。如果要去银河系中心探险，至少要10万年才能返回。相对论确实给了我们一些宽慰。
因为时间不存在惟一的标准，而每一位观察者都拥有他自己的时间。这种时间是用他携带的时钟来测量的，这样航程对于空间旅行者比对于留在地球上的人显得更短暂是可能的。但是，这对于那些只老了几岁的回程的空间旅行者，并没有什么值得高兴的，因为他发现留在地球上的亲友们已经死去几千年了。这样，科学幻想作家为了使人们对他们的故事有兴趣，必须设想有朝一日我们能运动得比光还快。大部分这些作家似乎未意识到的是，如果你能运动得比光还快，则相对论意味着，你能向时间的过去运动，正如以下五行打油诗所描写的那样：
有位年轻小姐名怀特，
她能行走得比光还快。
她以相对性的方式，
在当天刚刚出发，
却已在前晚到达。
关键在于相对论认为不存在让所有观察者同意的惟一的时间测量。相反地，每位观察者各有自己的时间测量。如果一枚火箭能以低于光的速度从事件A（如2012年奥林匹克竞赛的100米决赛）至事件B（如α-半人马座议会第100，004届会议的开幕式），那么根据所有观察者的时间，他们都同意事件A发生于事件B之先。然而，假定飞船必须以超过光的速度才能把竞赛的消息送到议会，那么以不同速度运动的观察者关于事件A和事件B何为前何为后就众说纷纭。按照一位相对于地球静止的观察者，议会开幕也许是在竞赛之后。这样，这位观察者会认为，如果他不理光速限制的话，该飞船能及时地从A赶到B。然而，在α-半人马座上以接近光速在离开地球方向飞行的观察者就会觉得事件B，也就是议会开幕，先于事件A，也就是百米决赛发生。相对论告诉我们。对于以不同速度运动的观察者，物理定律是完全相同的。
这已被实验很好地检验过。人们认为，即使用更高级的理论去取代相对论，它仍然会被作为一个特性而保留下来。这样，如果超光速旅行是可能的，运动的观察者会说，就有可能从事件B，也就是议会开幕式，赶到事件A，也就是百米竞赛。如果他运动得更快一些，他甚至还来得及在赛事之前赶回，并在得知谁是赢家的情形下放下赌金。
要打破光速壁垒存在一些问题。相对论告诉我们，飞船的速度越接近光速，用以对它加速的火箭功率就必须越来越大。对此我们已有实验的证据，但不是空间飞船的经验，而是在诸如费米实验室或者欧洲核子研究中心的粒子加速器中的基本粒子的经验。我们可以把粒子加速到光速的99．99％，但是不管我们注入多少功率，也不能把它们加速到超过光速壁垒。空间飞船的情形也是类似的：不管火箭有多大功率，也不可能加速到光速以上。
【虫洞】
虫洞，又称虫孔。这样看来，快速空间旅行和往时间过去旅行似乎都不可行了。然而，还可能有办法。人们也许可以把时空卷曲起来，使得A和B之间有一近路。在A和B之间创造一个虫洞就是一个法子。顾名思义，虫洞就是一个时空细管，它能把两个几乎平坦的相隔遥远的区域连接起来。
虫洞两个端点之间在几乎平坦的背景里的分离和通过虫洞本身的距离之间没必要有什么关系。这样，人们可以想像，他可以创造或者找到一个从太阳系附近通到。半人马座的虫洞。虽然在通常的空间中地球和α-半人马座相隔20万亿英里，而通过虫洞的距离却只有几百万英里。这样百米决赛的消息就能赶在议会开幕式前到达。然后一位往地球飞去的观察者也应该能找到另一个虫洞，使他从α-半人马座议会开幕在赛事之前回到地球。因此，虫洞正和其他可能的超光速旅行方式一样，允许人们往过去旅行。
建造虫洞型时间机器的三个不太简单的步骤
1.寻找或建立一个虫洞，开辟一个隧道用来连接太空中两个不同的区域。大型虫洞可能天然地存在于外太空中，是宇宙大爆炸的遗留物。若事实并非如此，那我们只好凑合着使用比原子更小的虫洞，它们或者是自然的产物（在我们周围，每一瞬间都有这种小型虫洞诞生和消亡），或者是人造产品（就如此处图中所示，它们由粒子加速器生产出来）。这些更小的虫洞必须被扩大到实用的尺寸，也许要使用那些在宇宙大爆炸不久之后导致空间膨胀的能量场。
2.使虫洞稳定下来。注入利用所谓的Casimir效应由量子产生的负能量，虫洞便允许信号和物体安全地穿越它。负能量会抵制虫洞坍缩为密度无穷大或接近无穷大的一点的趋势。换句话说，它阻止了虫洞演变成黑洞。
3.牵引虫洞。一艘具有高度先进技术的太空船将虫洞的入口互相分离开。一个入口可能被安置在中子星表面，那是一颗拥有强大引力场、极度致密的恒星。强烈的引力使得时间变慢。因为在虫洞的另一个入口处，时间流逝得更快，结果这两个入口不但在空间内而且在时间上都被分离开了。
为了观察真实而显著的时间挠曲，一个人必须跃出通常的经验领域。在大型加速器里,亚原子粒子可以被加速到接近光速的程度。这些粒子中的一部分，例如μ介子，拥有一台内置的时钟，因为它们以确定的半衰期发生衰变；根据Einstein的理论，观测到在加速器里高速运动的μ介子以慢动作衰变。一些宇宙射线也经历了惊人的时间挠曲。这些粒子如此接近于光速运动着，以致依照它们的视角，在几分钟之内便能穿过银河系，纵然在地球的参照系中它们似乎花费了数万年。如果时间膨胀没发生过，那些粒子绝不会在这里出现。
以高速运动是跃向未来的一种方式。引力则是另一种手段。在Einstein的广义相对论中，他预言引力可以减缓时间的流逝。与在地下室相比，钟在顶楼上要走得快一些，在更接近于地心因而也更深入于引力场的情况下，这一现象将愈加显著。类似地，钟在太空里比在地面上走得更快。尽管这一效应微乎其微，但它已被精确的时钟直接测得。的确，在全球定位系统中必须考虑到这些时间挠曲效应。如果他们没有考虑到这一点，海员、出租车司机和巡航导弹将会发现自己偏离出规定轨道有许多公里。
中子星表面的引力是如此强大，以致时间的流逝速度与地球上相比大约减缓了30%。在这样一颗恒星上进行观察，事件看起来就像是快进的录像。黑洞代表了时间翘曲的极致；在该天体的表面，时间相对于地球来说是停滞的。这意味着，倘若你从附近落入黑洞，在你到达其表面所花费的短暂的时间内，广阔的宇宙已经历了无限长的时期。因此，就黑洞外部的宇宙而言，黑洞内部是时间终结的区域。如果一名宇航员可以急速地移动，他能够十分靠近黑洞并且安然无恙地返回——没有人不觉得这是富于幻想的，它的鲁莽也就别提了，至于前景嘛——他可以跃进遥远的未来。
到现在为止，我已经讨论了在时间中朝未来旅行的情况。那么逆行又会怎样呢？这可要成问题得多。1948年，新泽西州普林斯顿高级研究所的Kurt Gabriel提出了爱因斯坦引力场方程的一个描述旋转宇宙的解。在这个宇宙中，一名宇航员可以在太空中旅行来实现回到过去的目的。这是引力影响了光的结果。宇宙的旋转导致光（因而也包括事物之间的因果联系）被拽住并环绕在它的内部，这使得一个处于封闭环内的实物可以在空间的闭环中移动，同时也在时间的闭环中旅行，而任何时候都不会相对邻近的粒子超光速。Gabriel的解释被当作数学上的奇谈而束之高阁——毕竟，没有观测迹象表明宇宙作为整体在旋转。他的计算结果不过是证明了在时间中逆行并不违背相对论。的确，爱因斯坦表示他曾为自己的理论可能在某些情况下允许回到过去的想法而感到困惑。
其他一些允许回到过去的猜想也已被发现。例如，在1974年，Tulane大学的Frank J. Tipler计算了一个巨大的无限长旋转柱体，在它的轴线处，宇航员们能够接近于光速拜访到自己的过去，即拽曳柱面附近的光线形成环状。1991年，普林斯顿大学的J. Richard Gott预言了宇宙弦——宇宙学家设想它的结构是在宇宙大爆炸早期产生的——能产生相似的结果。但是20世纪80年代中期所涌现的最逼真的时间机器剧本，是基于虫洞的概念构想出来的。
在科幻小说中，虫洞有时被称作星门；它们提供一条贯通空间中彼此相距很远的两点之间的捷径。跳过一个假想的虫洞，你可能会在片刻之后出现于银河系的另一端。虫洞自然地符合广义相对论，凭借引力，不仅可以使空间弯曲，而且还能让时间发生扭曲。理论允许连接空间中的两点的可选路径和隧道这样的东西的存在。数学家提出了多重连结的空间形式。正像穿越山底的隧道要比山表面的道路更短一样，虫洞可能也要比贯穿于普通空间的寻常路线来得更短。
卡尔·萨根在其1985年的小说《接触》中，就利用了虫洞作为一个虚构的装置。在萨根的提议下，Kip S. Thorne和他在加州理工学院的同事们着手去考察虫洞是否与已知的物理学一致。他们的出发点是虫洞作为一个与黑洞一样具有可怕引力的物体。但与黑洞不同的是，后者只提供一次没有目的地的单程旅行，而虫洞将同时拥有一个出口和一个入口。
由于虫洞是可穿越的，它必定包含了Thorne所说的奇异物质。实际上，这是某种能产生反重力效果来抵制一个大规模系统因其自身强大的重力而被压入黑洞的自然趋势的物质。反重力，或是万有斥力，能够由负能量或负压力产生。众所周知，负能量状态存在于特定的量子系统中，它表明Thorne的奇异物质并不被物理学定律所禁止，尽管目前尚不清楚，是否能收集到足够多的抗重力材料以稳定一个虫洞。
不久Thorne和他的同事们认识到如果稳定的虫洞能够被制造出来，那么它很容易转变为一台时间机器。一名穿越虫洞的宇航员也许不仅能出现在宇宙的某处，而且还会处于某一时期，也就是——在未来或者是过去。
为了使虫洞适合于时间旅行，它其中的一个洞口应被引到一颗中子星那里，并安置在接近中子星表面的地方。恒星的引力会减缓虫洞洞口附近的时间流逝，这使得虫洞两端之间的时间差逐渐积累起来。如果两个端口都放置在空间中合适的地方，那么时间差将保持冻结状态。
假设这一差值是10年。一名宇航员从一个方向穿越虫洞，他将跳到10年后的未来，反之，宇航员若是从另一方向穿越虫洞，他将跳到10年前的过去。第二位宇航员以高速穿过平常的太空，回到出发点，他也许先于出发之前就回到家了。换句话说，空间中的封闭环可能会演变为时间中的环。一个限制是宇航员不能回到首次建立虫洞以前的那段时期。
一项可怕的难题是最初创生的虫洞将会阻碍虫洞型时间机器的制造。也许空间由这么一类结构自然地串连成一体——宇宙大爆炸的遗留物。如果是这样的话，一个超级文明大概能使用一个虫洞。或许，虫洞是在极小尺度上（所谓的普朗克长度，大约是原子核尺度的10-20那么小）天然生成的。原则上，这样一个微小的虫洞可由脉冲能量来稳定，然后再以某种方式膨胀到可以利用的尺寸。
假如工程上的诸多难题都被克服了，时间机器的生产将会打开因果佯谬的潘多拉魔盒。例如，一个时间旅行者到访过去，谋杀了还是一个年轻女孩的母亲。我们如何弄明白这种事情意味着什么？如果这个女孩死了，她就不能成为时间旅行者的母亲。但倘若这名时间旅行者从未出现过，他就不能回到过去并谋杀自己的母亲。
著名的母亲佯谬（有时会用其他的家庭亲属关系来系统地阐述）是由于人们或物体能够在时间中逆行并改变过去时所引发的。一个简化的版本是以弹珠为例。一颗弹珠穿过了虫洞型时间机器，随后便会击中处于更早时候的自身，从而永远阻止它进入虫洞。
佯谬的解决方案源于一个简单的认识：弹珠不能违背逻辑或违反物理学定律行事。它当然不能以阻止自己的方式去穿越虫洞，但没有任何东西会制止弹珠以其他无限多的方式穿过虫洞。
【量子物理】
时空不同区域之间的虫洞的思想并非科学幻想作家的发明，它的起源是非常令人尊敬的。
1935年爱因斯坦和纳珍•罗森写了一篇论文。在该论文中他们指出广义相对论允许他们称为“桥”，而现在称为虫洞的东西。爱因斯坦——罗森桥不能维持得足够久，使得空间飞船来得及穿越：虫洞会缩紧，而飞船撞到奇点上去。然而，有人提出，一个先进的文明可能使虫洞维持开放。人们可以把时空以其他方式卷曲，使它允许时间旅行。可以证明这需要一个负曲率的时空区域，如同一个马鞍面。通常的物质具有正能量密度，赋予时空以正曲率，如同一个球面。所以为了使时空卷曲成允许旅行到过去的样子，人们需要负能量密度的物质。
能量有点像金钱：如果你有正的能量，就可以用不同方法分配，但是根据本世纪初相信的经典定律，你不允许透支。这样，这些经典定律排除了时间旅行的任何可能性。然而，量子定律已经超越了经典定律。量子定律是以不确定性原理为基础的。量子定律更慷慨些，只要你总的能量是正的，你就允许从一个或两个账号透支。换言之，量子理论允许在一些地方的能量密度为负，只要它可由在其他地方的正的能量密度所补偿，使得总能量保持为正的。量子理论允许负能量密度的一个例子是所谓的卡西米尔效应，甚至我们认为是“空”的空间也充满了虚粒子和虚反粒子对，它们一起出现分离开，再返回一起并且相互湮灭。现在，假定人们有两片距离很近的平行金属板。金属板对于虚光子起着类似镜子的作用。事实上，在它们之间形成了一个空腔。它有点像风琴管，只对指定的音阶共鸣。这意味着，只有当平板间的距离是虚光子波长（相邻波峰之间的距离）的整数倍时，这些虚光子才会在平板之中的空间出现。如果空腔的宽度是波长的整数倍再加上部分波长，那么在前后反射多次后，一个波的波峰就会和另一个波谷相重合，这样波动就被抵消了。
因为平板之间的虚光子只能具有共振的波长，所以虚光子的数目比在平板之外的区域要略少些，在平板之外的虚光子可以具有任意波长。所以人们可以预料到这两片平板遭受到把它们往里挤的力。实际上已经测量到这种力。并且和预言的值相符。这样，我们得到了虚粒子存在并具有实在效应的实验证据。
在平板之间存在更少虚光子的事实意味着它们的能量密度比它处更小。但是在远离平板的“空的”空间的总能量密度必须为零，因为否则的话，能量密度会把空间卷曲起来，而不能保持几乎平坦。这样，如果平板间的能量密度比远处的能量密度更小，它就必须为负的。
这样，我们对以下两种现象都获得了实验的证据。第一，从日食时的光线弯折得知时空可以被卷曲。第二，从卡西米尔效应得知时空可被弯曲成允许时间旅行的样子。所以，人们希望随着科学技术的推进，我们最终能够造出时间机器。但是，如果这样的话，为什么从来没有一个来自未来的人回来告诉我们如何实现呢？鉴于我们现在处于初级发展阶段，也许有充分理由认为，让我们分享时间旅行的秘密是不智的。除非人类本性得到彻底改变，非常难以相信，某位从未来飘然而至的访客会贸然泄漏天机。当然，有些人会宣称，观察到幽浮就是外星人或者来自未来的人们来访的证据（如果外星人在合理的时间内到达此地，他们则需要超光速旅行，这样两种可能性其实是等同的）。
然而，任何外星来的或者来自未来的人的造访应该是更加明显，或许更加令人不悦。如果他们有意显灵的话，为何只对那些被认为不太可靠的证人进行？如果他们试图警告我们大难临头，这样做也不是非常有效的。
一种对来自未来的访客缺席的可能解释方法是，因为我们观察了过去并且发现它并没有允许从未来旅行返回所需的那类卷曲，所以过去是固定的。另一方面，未来是未知的开放的，所以也可能有所需的曲率。这意味着，任何时间旅行都被局限于未来。此时此刻，柯克船长和星际航船没有机会出现。
【矛盾之处】
这也许可以解释，当今世界为何还没被来自未来的游客所充斥。但是如果人们能够回到以前并改变历史，则问题就不能回避。例如，假定你回到过去并且将你的祖先在他仍为孩童时杀死。这类佯谬有许多版本，但是它们根本上是等效的：如果一个人可以自由地改变过去，则他就会遇到矛盾。
看来有两种方法解决由时间旅行导致的佯谬。一种称为协调历史方法。它是讲，甚至当时空被卷曲得可能旅行到过去时，在时空中所发生的必须是物理定律的协调的解。根据这一观点，除非历史表明，你曾经到达过去，并且当时并没有杀死你的祖先或者没有任何行为和你的现状相冲突，你才能回到过去。况且，当你回到过去，你不能改变历史记载。那表明你并没有自由意志为所欲为。当然，人们可以说，自由意志反正是虚幻的。如果确实存在一套制约万物的完整的统一理论，它也应该决定你的行动。但是对于像人类这么复杂的机体，其制约和决定方式是不可能计算出来的。我们之所以说人们具有意志，乃在于我们不能预言他们未来的行动。然而，如果一个人乘火箭飞船出发并在这之前已经回返，我们就将能预言其未来行为，因为那将是历史记载的一部分。这样，在这种情形下，时间旅行者没有自由意志解决时间旅行的其他可能的方法是称为选择历史假想。其思想是，当时间旅行者回到过去，他就进入和历史记载不同的另外的历史中去。这样，他们可以自由地行动，不受和原先的历史相一致的约束。史蒂芬•斯匹柏十分喜爱影片《回归未来》中的创意：玛提•马克弗莱能够返回而且把他双亲恋爱的历史改得更令人满意。
选择历史假想听起来，和理查德•费因曼把量子理论表达成历史求和的方法相类似。它是说宇宙不仅仅有一个单独历史，它有所有可能的历史，每一个历史都有自己的概率。然而，在费因曼的设想和选择历史之间似乎存在一个重要的差别。在费因曼求和中，每一个历史都是由完整的时空和其中的每一件东西组成的。时空可以被卷曲成可能乘火箭旅行到过去。但是火箭要留在同一时空即同一历史中，因而历史必须是协调的。这样，费因曼的历史求和设想似乎支持协调历史假想，而不支持选择历史假想。
费因曼历史求和允许在微观的尺度下旅行到过去。科学定律在CPT联合对称下不变。这表明，一个在反时钟方向自旋并从A运动到B的反粒子还可以被认为是在时钟方向自旋并从B运动回A的通常粒子。类似地，一个在时间中向前运动的通常粒子等价于在时间中往后运动的反粒子。“空” 的空间充满了虚的粒子和反粒子对，它们一道出现、分离，然后回到一块并且相互湮灭。
这样，人们可以把这对粒子认为是在时空中沿着一个闭合图运动的单独粒子。当对子在时间中向前运动时（从它出现的事件出发到达它湮灭的事件），它被称为粒子。但是，当粒子在时间中往回运动时（从对湮灭的事件出发到达它出现的事件），可以说成反粒子在时间中向前运动。
在解释黑洞何以发射粒子并辐射时认为，虚的粒子/反粒子对中的一个成员（譬如反粒子）会落到黑洞中去，另一个成员留下来，失去和它湮灭的伙伴。这个被抛弃的粒子也可以落入黑洞，但是它也可以从黑洞的邻近挣脱。如果这样的话，对于一位远处的观察者，它就作为从黑洞发射出的粒子而出现。
然而，人们对于黑洞辐射的机制可有不同的却是等价的图像。人们可以把虚对中的那个落入黑洞的成员（譬如反粒子）看成从黑洞出来的在时间中往回运动的粒子。当它到达虚粒子反粒子对一道出现的那一点，它被引力场散射成从黑洞逃脱的在时间中向前运动的粒子。相反地，如果是虚对中的粒子成员落入黑洞，人们可以把它认为是从黑洞出来的在时间中往回运动的反粒子。这样，黑洞辐射表明，量子理论在微观尺度上允许在时间中的往回运动，而且这种时间旅行能产生可观测的效应。
因此产生这样的问题：量子理论在宏观尺度上允许人们可以利用的时间旅行吗？初看起来应该是可以的。费因曼历史求和的设想是指对所有的历史进行的。这样，它应包括被卷曲成允许旅行到过去的时空。那么，为什么我们并没有受到历史的骚扰？例如，假定有人回到过去，并把原子弹秘密提供给纳粹？
如果称作时序防卫猜测成立的话，这些问题便可以避免。它是讲，物理学定律防止宏观物体将信息传递到过去。它正如宇宙监督猜测一样，还未被证明，但是有理由相信它是成立的。
相信时序防卫有效的原因是，当时空被卷曲得可以旅行到过去时，在时空中的闭圈上运动的虚粒子，在时间前进的方向以等于或者低于光速的速度运动时，就会变成实粒子。由于这些粒子可以任意多次地绕着圈子运动，它们通过路途中的每一点许多次。这样，它们的能量被一次又一次地计算，使能量密度变得非常大。这也许赋予时空以正的曲率，因而不允许旅行到过去。这些粒子引起正的还是负的曲率，或者由某种虚粒子产生的曲率是否被别种粒子产生的抵消，仍然不清楚。这样，时间旅行的可能性仍然未决。
当时间旅行者试图改变过去，这类明显不可能的佯谬就会出现。但那并不阻止某人成为过去的一部分。假定时间旅行者回到过去并从谋杀中拯救了一个年轻女孩，这个女孩长大后成了他的母亲。那么因果环节现在便是自洽的，不再自相矛盾了。因果一致性可能强行限制了时间旅行者所能做的事，但这并不排除时间旅行本身。
即使时间旅行不是严格地自相矛盾，它依然是不可思议的。仔细设想这么一位时间旅行者，他跳跃到一年后，读取了《科学美国人》未来版本上最新的数学定理。他记下了其中的细节，回到自己所处的时代，并把这一定理教授给一名学生，就是这名学生日后为《科学美国人》撰写了文章。这篇文章当然正是那位时间旅行者所读到的。接着问题出现了：关于这则定理的信息来自何处？不是源于时间旅行者，因为他只是个读者，但也不是来自那名学生，后者可是从前者那里学到了定理。信息似乎无缘无故蓦地就出现了。
时间旅行异乎寻常的推论致使一些科学家彻底拒绝这一想法。剑桥大学的史蒂芬·霍金提出一个“年代学保护猜想”，这将宣布因果环的失效。众所周知，由于相对论容许因果环存在，年代学保护需要引入某一其他因素进行调解，以防止旅行到过去的情况发生。这一因素可能是什么呢？一个提议是量子过程会解决这项难题。时间机器的存在将允许粒子循环进入它们的过去。计算结果暗示了随即发生的扰动将会自行增强，从中造成能量逃逸的浪涌可导致虫洞崩溃。
年代学保护仍不过是个猜想而已，因此时间旅行依然保留其可能性。解决事情的一个最终方案必须期待量子力学和引力的成功结合，也许要借助弦理论或它的扩展理论，即所谓的M理论。我们甚至可以想象下一代粒子加速器将能生成比亚原子尺度的虫洞，它们能存在足够长的时间，使得附近的粒子能够执行转瞬即逝的因果环。这要比威尔斯对于时间机器的想象深远得多，它将永远改变我们的物理实在图景。
参考资料：
1.当以大爆炸为时间起点百米决赛与议会开幕有三种可能百米与议会同时，百米先于议会，议会先于百米，其中一二两种对于不同观察者的确会对哪一个先发生产生歧异，但这只不过是光速产生的附加作用，而无论观察者运动的多快，他也只能落在百米决赛的光锥中，而不会影响百米决赛的发生，对于第三种，任何人都不会产生歧异。
2008年9月29日 16:00:20
hurry：
这么长？我看了一段，觉得还行。你应该给出作者。
2008年9月29日 16:08:15
李老师：
是在百度百科上查的，实在找不到作者。
2008年9月29日 16:55:21
李老师：
这篇文章的前一部分意思是否是说歌德尔证明广义相对论理论的本身并没有排除时间旅行的可能性，只不过理论归理论，“微波背景和轻元素丰度的观测表明，早期宇宙并没有允许时间旅行的曲率。”还有这个理论是否是以超光速为前提的？
另外一部分引入“虫洞”这个时间旅行的“捷径”，那么在虫洞里做时间旅行是否就不需要超光速这个条件了？还有制造“虫洞”以“一个入口可能被安置在中子星表面”这在人类的技术上如何做到？
最让我不能理解的是这一段话：“选择历史假想听起来，和理查德•费因曼把量子理论表达成历史求和的方法相类似。它是说宇宙不仅仅有一个单独历史，它有所有可能的历史，每一个历史都有自己的概率。然而，在费因曼的设想和选择历史之间似乎存在一个重要的差别。在费因曼求和中，每一个历史都是由完整的时空和其中的每一件东西组成的。时空可以被卷曲成可能乘火箭旅行到过去。但是火箭要留在同一时空即同一历史中，因而历史必须是协调的。这样，费因曼的历史求和设想似乎支持协调历史假想，而不支持选择历史假想。”所谓的“选择历史假想”是不是就是现行的“量子多宇宙假说”，它为人的自由意志预留了空间；而“协调历史假想”，仍然保留着严格的因果律，实现时间旅行这一事件仍然在同一的历史中。
费因曼的历史求和或积分路径求和的思想到底是什么？它和“量子多宇宙假说”有什么联系么？
2008年9月29日 18:54:26
李老师：
我想的太混乱了，而且有点离谱，难怪您不回答。不过我想得到一知半解就就满足了。但是我一窍不通，还有搅混水之嫌。不过还是希望得到您的指点。
2008年9月29日 19:20:04
hurry：
时光机器问题是一个物理问题，仅仅靠谈论是不行的。与其读科普，不如好好读读广义相对论和专业文章。
2008年9月29日 20:32:30
李老师：
谢谢您的答复！可是我没有这个资质和条件。
2008年10月1日 15:09:16
李老师：
你使我懂得了，人没有足够的思维能力去思考某一复杂问题时，就不要去碰它，小心走火。