相对论时空观中的“历史”问题

相对论是一个描述空间、时间和引力的理论。它最初是起源于狭义相对论的时空观念，而广义相对论是继承和发展了狭义相对论时空观念的时空理论。若读者肯追寻着本作者的思路一直走下去，将会看到，狭义相对论中所存在的关于时空方面的理论误区，在广义相对论中依然存在。

历史经验告诉我们，随着人类对宇宙的认识变得越来越深刻，由我们人类所建立起来的万物之理也是跟随着一变再变。从亚里斯多德到牛顿再到爱因斯坦，无不如此。 甚至可以苛刻点说，牛顿否定了亚里斯多德，而爱因斯坦又否定了牛顿（辩证的继承和发展）。

这并不奇怪，因为这本就是一条认识之路。

既然说的是时空理论，那么首要的就是回答什么是时间？什么是空间？什么是时空？其次就要回答物质如何存在于其中。相对论回答了这些问题，但是回答的还不够。本书要提问，物质存在于什么样的历史变化的位置？我们都知道，历史按照在“时间线”上所处的相对位置分为过去、现在和将来。那么物质在事件发生过去后，还会存在于过去之中吗？换句话讲，过去是否一直存在着？它和现在是否是“同时”、“并存”存在着？（此处用“历史”而不是用“时间”来提问，正是为了所提的理论问题的严密性。因为在后面会看到“时间”既不是绝对的，也不等同于“历史”，而只是描述“历史”的一个参数）

从狭义相对论开始，相对论就默认了历史与现在“同时”和“并存”存在着。看看我们在用狭义相对论解释双生子效应时的理论描述和依据广义相对论而诞生的“时间机器”的理论原理就一清二楚了。

用狭义相对论解释双生子效应：

双生子佯谬是1911年由法国科学家朗之万为了质疑狭义相对论的钟慢效应而提出的思想实验。它的内容是：

在地球上有一对儿双胞胎兄弟，其中哥哥要乘坐高速火箭进行太空旅行，而弟弟则要一直生活在地球上。哥哥乘坐的火箭先是加速到接近光速，再以此速度匀速飞行一段时间后，再减速到静止，再反向加速到接近光速，再以此速度匀速飞向地球，最终到达地球，再减速到静止，与弟弟相逢。那么再次相逢后的兄弟二人谁年龄大？谁年龄小？还是二人年龄相同？在朗之万看来，若从弟弟的角度出发，哥哥乘坐火箭作高速运动，依据狭义相对论的钟慢效应，哥哥经历的时间要小于自己的时间，应该哥哥更年轻。但是运动是相对的，若从哥哥的角度出发，自己并没有动，运动的是弟弟所居住的地球，是地球以接近光速的速度远离自己和火箭，而在返航时，自己还是没有动，依然是地球以接近光速的速度靠近自己和火箭，所以，弟弟经历的时间要比哥哥经历的时间少，所以弟弟更年轻。这样就得出了两个相反的结论，而当哥哥弟弟再一次重逢时，见面之后，会发现一定有一个人的结论是错的，甚至两个人的结论都是错的：”两个人年龄还是一样。这样自相矛盾的结论必然说明狭义相对论是错误的。

下面本书采用标准的相对论解释，来源于梁灿彬 曹周健《从零学相对论》的§4.3双子效应（佯谬）

由于这样的解释正是相对论关于历史一直存在的证据，所以这里会大量引用《从零学相对论》的内容。

“4.3.2 双子效应的几何剖析

利用4维几何语言可对双子效应给出最为简单、清晰和准确的剖析．为了免除毫无必要的复杂性，人们在做纯理论讨论时默默约定．

①近似认为地球做惯性运动；

②忽略地球的引力场，因而只涉及平直时空。图4-16(a)是在此约定下的时空图（以地面系为基准）．兄弟甲守在家中，是惯性观者，其世界线是竖直线（类时测地线）．兄弟乙外出遨游，其世界线不可能为测地线，否则将一去不复返。p,q两点分别代表分手和重逢事件．已知分手时甲乙年龄相等，重逢时还等吗？如果不等，孰大孰小？

为回答这一问题，只须比较甲乙两人在事件p,q之间各自经历的固有时间，也就是比较甲乙两线介于p,q之间的线长 L甲和L乙。因为闵氏时空中两点之间的类时测地线是该两点间的类时曲线的最长者，所以 L甲＞L乙 ，可见重逢时乙比甲年轻．若要定量地求得 L甲与L乙 的关系就要把乙的世界线具体化,因为两点之间的不同曲线一般有不同线长。最简单的情况如图4-16（b）,这时乙的世界线是由两段直线组成的折线，借助于横竖三角形关系易得L甲＝γL乙，其中γ是洛伦兹因子 ：

u是两段斜直线相应的速率.利用此式不难算出：

①设分手时两人皆为20岁，欲使重逢时甲为 60岁而乙为30岁，只须 u≈0.968c;

②为了实现“飞船方七日，世上已千年” ，只须u = 0. 999 999c ”。

其中c为真空中光速。

有一种对图4-16(b)的算法也许值得一提，因为它在新、旧文献中颇为多见，而且其中有一问题需要澄清．这一算法的4维 “译文”如下.（意思都是原作者的，只不过改成4维表述，3维表述太难懂．）设K'和K"分别是直线段pr和rq相应的惯性系,Σ'和Σ''分别是K'和K"系过r点的同时线（图4-17)

当乙处在pr段时，他认为事件m与r同时，故在自己经历pr段的过程中甲经历的时间只有Lpm(短于Lpr), 另 一方面，乙在rq段中又认为n与r同时，故在自己经历rq段的过程中甲经历的时间只有Lnq (短于Lrq ）．原文指出，最重要的是，乙在r点前后因同时线的突变而觉得甲的年龄有Lmn的突变量。因此根据乙的观察，

甲在p,q之间的年龄增量=Lpm+Lmn+Lnq,

乙在p,q之间的年龄增量=Lpr+Lrq.

由于用3维语言（当然也没画时空图），原文只好利用钟慢效应等公式逐段计算，再把结果代入上两式，最后得到

甲在p,q之间的年龄增量 = γ×乙在p,q之间的年龄增量．

这一结果无疑是正确的。因为从4维角度看，它无非就是把甲线分为三段并把线长逐一相加而已。然而，除去麻烦之外，这种算法还存在一个概念性问题，关键在于乙对甲的“观察”和“认为”在物理上无法实现．正如小节4.2.3所强调的，讨论钟慢效应时除2个钟C1 和C'外还必须有第 3个钟C2 , 而现在偏偏缺少第3个钟．作为局外人，我们可以指着时空图说乙在pr段时认为事件m与r同时，因此应该比较甲钟在m和乙钟在r的读数，但是，作为局中人的乙却无从知道甲钟在m的读数，因为他无法观察（感知）到甲线上的信息．如果你还坚待说可以，那么有一篇文章会对你发难．该文指出，接受上述讲法将会导致“返老还童”的离奇推论，其4维“译文”如下，设乙的世界线如图4-18所示，则乙在接近r时，将根据同时线Σ'认为甲的年龄为Lpm （约定甲在p时年龄为零），刚离开r后根据同时线Σ''又认为甲的年龄为Lpn(小于Lpm) , 于是乙在r （掉头）的瞬间观察到甲返老还童．对此返老还童之说，你有何评论，其实关键问题仍在于乙对于甲的“观察”和“认为”在物理上无法实现。乙从甲获得任何信息的必要条件是甲向乙发出光波或其他信号，而由图4 - 19可知甲线上任意两个事件（如E1和E2)的先后顺序在经过光子世界线传到乙线后（为F1 和F2）都被保待，乙决不会看到返老还童现象.

另外在闵氏时空中，两个事件的时空间隔分为三种：类空间隔，类时间隔和类光间隔。而且存在如下定理：1若两事件的间隔为类时或类光，则任何洛伦兹变换都保时序；2若两事件的间隔为类空，则必有改时序的洛伦兹变换。

我们知道，间隔为类空，则必有超光速运动的物体，有超光速运动的物体必然会造成时序的改变，即允许穿越回过去的事件发生。人们当然认为这是荒谬的，不可能的，所以光速不可被超越，因此光速成为一切速度的上限。

从以上的内容不难看出，在狭义相对论中，完全没有否定‘发生过的历史是依然存在的’这种物质存在的形式。就是说，历史是始终存在着的，但问题是我们不能穿越回去，原因是光速上限。在图4—18中，可以看到，若我们坚持狭义相对论关于同时和同时面的理论，那么就要花费很多精力去解决狭义相对论所定义的同时和同时面所产生的副作用，这里的副作用就是乙会发现甲“返老还童”。而如果真的按同时面的理论来看，本书认为图4—19的解释并不能令人满意。其实从书中的描述就已经露怯了。什么叫上述讲法将会导致“返老还童”的离奇推论？如果“历史”和“现在”一直是“同时”“并存”存在的，那么“返老还童”应该是非常有可能的，因为“历史就在那里，为什么不让回去？仅仅是因为回去会导致因果律被破坏而造成逻辑混乱？所以是为了保证逻辑通顺、因果律正确才把光速规定为速度上限的？是谁规定的？难道上帝也是没办法才这么做的？。

历史的发展证明，光速上限这个规定阻挡不了穿越理论的产生。资产阶级创造了无产阶级，而无产阶级最终又成为了资产阶级的掘墓人。在此向马克思致敬！老马英明！

广义相对论在理论上得出了“时间机器”。

时间机器实际上是一种虫洞。虫洞又名时空洞（Wormhole）又称爱因斯坦——罗森桥，也译作蛀孔。是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。虫洞是1916年由奥地利物理学家路德维希·弗莱姆首次提出的概念，1930年由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的，认为透过虫洞可以做瞬时的空间转移或者做时间旅行。

简单地说，“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。暗物质维持着虫洞出口的开启。虫洞可以把平行宇宙和婴儿宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性。虫洞也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道，所以也叫"灰道"。

理论上，虫洞是连结两个遥远时空的空间隧道，就像是大海里面的漩涡，是无处不在但转瞬即逝的。这些时空漩涡是由星体旋转和引力作用共同造成的。就像漩涡能够让局部水面跟水底离得更近一样，能够让两个相对距离很远的局部空间瞬间离得很近。不过有人假想一种奇异物质可以使虫洞保持张开，也有人假设如果存在一种叫做幻影物质（Phantom matter）的奇异物质的话，因为其同时具有正能量和负质量，因此能创造排斥效应以防止虫洞关闭。

应用虫洞进行星际旅行是科幻小说家们的热门题材。1985年美国天体物理学家萨根出版了著名小说《接触》，这本书就是描述通过虫洞进行星际旅行的。这本书的初稿写的是穿越黑洞，出版前请教了相对论专家索恩，索恩建议萨根将黑洞改为虫洞。此事促使索恩开始研究和探索虫洞问题。他不但找到了可供星际旅行的虫洞解，而且发现虫洞可以被转化为时间机器。可以实现回到过去的时间旅行。1988年，索恩使这一问题正式登上严肃的科学殿堂，成为广义相对论的一个研究课题。

本书依然引用梁灿彬和曹周键《从零学相对论》的§9.3 时间机器

“所谓静态虫洞，是指两个洞口相对于洞外时空的某个惯性系K≡｛T,X,Y,Z｝为静止，即两个洞口的世界面都是竖直的。现在，假定洞口N从洞外时刻T=0开始相对于k系做加速运动，加速至接近光速后开始掉头返航并做减速运动，直至T=31,回到原位后再度静止。相应的时空图是图9--15，它非常类似于双子效应的时空图仿照双子问题中外出兄弟固有时的计算，不难接受图9--15中洞口N内喉边所标的固有时数字。切勿忘记左右两条喉线（一直一弯）数字相同的点要认同。借助于这样的“加速虫洞”就可以实现回到过去的时间旅行。图9--16示出这一激动人心的旅行过程。旅行者王五原先一直静止于洞口N附近，所以他的固有时τ一直等于洞外惯性坐标时T。设他在洞外时刻T=31时从洞口N进入虫洞，则他进洞时（事件p）的固有时自然是τp=31（不妨说他进洞时为31岁），与洞外日历显示的惯性坐标时Tp一样，即τp=Tp=31.假定洞口与喉非常靠近，他几乎不用时间就从洞口N到达喉，到达事件记作h，由图可知喉在h点的固有时为20，以h'代表洞口M内竖直喉线上固有时为20的点（见图9--16），则h和h'代表同一时空点，所以王五到达h点也就是到达h'点。接着，他很快又到达洞口M并经M出洞，出洞事件记为q。由于洞内运动几乎不占时间，王五在事件q的固有时τq仍为31，但由图可知q点（看做洞外时空的一点）的坐标时Tq=20.就是说，王五出洞时发现当时当地的日历显示的是11年前的数字，周围全是11年前的事物。于是他实现了回到过去的旅行！

更有甚者，如果他从q起高速向右运动（由斜置世界线代表），就能与过去的（较年轻的）自己相遇。以r代表相遇事件，由图可知Tr=26,因而较年轻的王五（竖直世界线）在事件r的固有时（年龄）τ（少）=26.另一方面从洞口M出来的王五（斜线）在事件q时为31岁（因为τq=31），故到达r时他的固有时大于31，即τr（老）大于31，这意味着较老的王五竟然与较年轻的自己（26岁）相遇甚至可以互相握手并互道“你好”。虫洞成了一部时间机器！ 过去只有纯科幻小说才敢于描述的情景现在看来真有实现的可能！

与索恩的研究路线相反，霍金从根本上质疑时间机器存在的可能性。1992年，他提出了时序保护猜想：物理定律不允许闭合类时线的存在（因而不会有时间机器）。

2010年8月霍金发表了一篇文章。在这篇文章中，霍金详细分析了人类如何利用自然规律实现“时间旅行”的伟大梦想。霍金说，我一直想做一个简单的实验，揭示人类通过虫洞的时间旅行是否可行，或是现在，或是未来，我喜欢简单的实验和成功后的香槟酒。所以，我将自己最喜欢的两件事情结合起来，探讨时间旅行是否可行。让我们设想一下这样的场景，我举办了一个为未来旅行者举办的欢迎宴会。因为希望得到一个惊喜，我没有告诉别人。我写了邀请函，注明了准确的时间和经纬度坐标。我希望它能以这样或那样的形式存在数千年，然后被几千年后的人收到，并利用虫洞时间机器来参加我的宴会，证明时间旅行将来是可行的。那么，在宴会正在举行的时候，时间旅行贵宾应该随时会降临，五个或一个。但就在我说话的时候，仍没有人到来，真是遗憾。我希望未来的“环球小姐”能踏进这扇门。

霍金在文章中阐明，相对论和量子力学在理论上是能够产生虫洞时间机器的。而且他亲自进行了一个实验：邀请未来人做客。但是这个邀请失败了，时间旅行并没有发生。霍金分析，如果穿越回到过去能实现，那么将会发生悖论----霍金的“疯狂科学家悖论”。而且他认为尽管微型虫洞是真实存在的，但是能够支持人类发生时间穿越的虫洞是不可能存在的。

我们从以上内容可以看到，严肃的物理学家们通过广义相对论找的了制造时间机器的理论。尽管有人觉得哪里不对，而不得不用一个时序保护来禁止时间机器。但可以明确的是，目前的物理学理论对时间机器的存在是支持的。

其实我们从历史上看，还没有一个时空理论严肃的讨论过历史是否依然永恒存在着，包括牛顿的绝对时空观----这个经典时空观也没有明确的说明发生过的历史是否依然永恒存在着，但是在绝对时空观中，时间是绝对的，独立于一切事物，均匀而永恒的向前流逝。“同时”也是绝对的，双向的，可传递的。这无疑表明了倾向和立场，绝对的时间是无法倒流的，穿越是不可能的。而我们通过上面的内容已经清楚的看到了在相对论所描述下的“历史”和“现在”一直都存在着。这就为时空穿越留了后门，终归有一天，我们人类中一位大神级天才，“biu“”的一下就实现了穿越。