科幻中时空旅行之物理学历史理论背景研究

载《851^M：我们的科学文化》（1）

科幻中时空旅行之物理学历史理论背景研究

穆蕴秋　江晓原

　

摘　要：时空旅行是科幻作品中的一个重要题材，它通常表现为三种类型：前往未来，回到过去，以及超空间旅行，本文着重讨论这些作品中的时空旅行与相关物理学理论背景的关系。并得出结论，相关的科幻作品从物理学理论上前沿成果中不断获取创作灵感，这是该题材的科幻作品能够持续涌现的主要原因，同时，物理学关于时空旅行的研究也在接纳吸收科幻作品所带来的启发性思路不断进展。另外，关于时空旅行可能与否的争论目前尚无定论，其距离现实的可能性也仍然很遥远，但这恰恰是这个科幻分支继续存在下去的主要原因。
关键词：时空旅行，第四维理论，多世界理论，诺维柯夫自洽原则，虫洞，翘曲飞行理论

一 绪论 科幻作品中的时空旅行类型
二《时间机器》与第四维理论
三 爱因斯坦场方程
四《接触》与虫洞理论
五《星际迷航》与翘曲飞行理论
六 时间佯谬的解决——多世界理论和诺维柯夫自洽原则
七 物理学家对时空旅行的看法

一、绪论：科幻作品中的时空旅行类型
时空旅行是科幻作品中的一个重要题材，通常而言，它表现为三种类型：前往未来，回到过去，以及超空间旅行。

前往未来
在前往未来的时空旅行类型中，英国人H.G威尔斯1895年创作的《时间机器》，是最具代表性的作品。由于该小说颇有思想性的情节，它获得了很高的声誉。小说叙述了一个简单的故事：一位科学家乘坐自己研制出的时间机器，旅行到了公元802701年的未来世界，那时的世界上存在着两类人种，一类是生活在地上的花园和宫殿里过着舒适安逸生活的“埃洛依”，另一类是生活在地下的黑暗中辛勤劳作的“莫洛克”，但科学家无意间的揭秘却让人大为吃惊，“埃洛依”不过是一群“莫洛克”豢养起来作为食物的美丽废物而已。
《时间机器》的同名电影到目前为止已经出了三个版本（1960年、1978年、2002年），避其原著在社会政治层面上的强烈隐喻不谈，单从科幻的角度来看，它也有着不容忽视的意义。尽管在早前的一些神话故事和童话故事中，如中国古代的烂柯山传说1，以及英国著名童话《爱丽丝漫游奇境记》2，已经出现了时空旅行的思想雏形，但直到《时间机器》才第一次正面触及了时空旅行的技术手段。小说中的“时间机器”一直为后来不少科幻作品所反复借用，成为时空旅行的主要工具（见附录一），如电影《比尔和特德的精彩冒险》中的电话亭和电视系列片《胡博士》中那个超正方体，或是星际探险小说中的太空飞船，都可看作是时间机器。当然，其它时空旅行的凭借手段在科幻作品中也不少见，如催眠、睡觉、或特殊信物方式等等（见附录一）。此外，威尔斯还在小说中提出“时间就是第四维”，这个想法颇为值得深入探究一番（后文对此有专门论述）。
《时间机器》之后，出现了多部借用原著中的时间旅行者或是时间机器进行再创作的衍生作品。典型的是Egon Friedell创作于1972年的小说The Return of the TimeMachine，故事中主人公去到不同的时代，寻找原著中那位未能归来的科学家的故事。电影Time After Time(1979年1985年)，则是一个幼稚的故事，主人公偷走了时间机器逃到1979年，威尔斯追寻而至，被当作一个来自乌托邦的大傻瓜。
有很多的与时空旅行相关的科幻作品，在《时间机器》之后相继出现，但在把时间旅行方向设置为前往未来的科幻作品中，它却是一枝独秀，所有的后来者都不能与其相提并论，这一类型最终也彻底萎缩。理由也许正如一些科幻研究者所说的3，在绝大多数科幻电影中，事情发生的时间预先就已被设置在未来——这已是科幻创作的一条默认定则，剧作者们用不着一定要主人公通过时空旅行才能去到未来，或是让生活在未来的人去到更遥远的未来。

回到过去
1889年，马克.吐温创作了一部小说《康州美国佬在亚瑟王朝》4，故事涉及时空旅行：主人公昏迷醒来后发现，自己回到了1300年前的亚瑟王朝，成为一个回到过去的时空旅行者。马克.吐温的这部小说在科幻中的影响远不及《时间机器》，但它的那些把时间方向设置为回到过去的后来者却是后劲十足，很多优秀的时空旅行作品都来自这一类型。
这种情形的出现，很大程度上归结于回到过去的时空旅行都会遇到一个逻辑难题——时间佯谬，它最极端的例子就是著名的“祖父佯谬（grandfatherparadox）”5：假如你对自己的现状非常绝望，但是你又不想自杀，你希望自己从来就没有来过这个世界，你于是选择通过时空旅行回到过去，在你的父亲出生之前就杀了你的祖父，那么你的父亲不能出生，自然也就没有你的出生，可是，如果没有你的出生，那你就绝不会回到过去杀了你的祖父，所以你还是要出生——佯谬产生了：你存在，所以你不存在；你不存在，所以你才存在。
英国著名幽默杂志《笨拙》（Punch），1923年还曾发表过一首与时间佯谬有关的打油诗6：
一个女孩叫贝瑞，
她的速度光难追。
相对论啊是捷径，
今日出门昨夜归。
从物理学或哲学角度而言，“今日出门昨夜归”这样的时间佯谬的确令人棘手，但就科幻创作而言，它却包含着极丰富的故事元素，很多科幻作品都是以此为“料”创作的，它们的故事情节虽然千差万别，但其实都可以看作是“外祖父佯谬”的多版本延伸。如1980年代的电影《终结者》系列、《回到未来》系列就是这一类型的代表作品。不过，这些都属于回到过去的时空旅行故事的较传统演绎方式。
时空旅行科幻作品中回到过去的类型还有另外两种演绎方式，它们完全避开了时间佯谬的产生：一种直接借鉴于量子理论中的“多宇宙解释”，另一种则借鉴于后来的“诺维柯夫自洽原则”。前者改变历史却不产生佯谬，后者不允许改变历史，自然也就不会产生时间佯谬了。

超空间旅行
关于星际旅行的构想雏形，比较早可以追溯到开普勒撰写的一篇小说《梦》（Dream）7。《梦》讲述了一个名叫Duracotus的年轻人跟随其母亲——一名女巫，驼在魔鬼（Demon）身上旅行到月球的故事。旅途中，热心而博学的魔鬼向他们讲述了月亮上一些不为人知的情形，Duracotus此前曾师从著名天文学家第谷.布拉赫学习过五年天文学，所以他能明白魔鬼所讲述的其中那些关于月亮的天文知识。开普勒想象这些魔鬼居住在太阳照射下的地球阴影中，当发生月食的时候（必须得是正食），地球的锥形阴影触及月球，魔鬼就可以利用这个阴影作为阶梯到达月亮，那些通晓通灵术能和魔鬼们打上交道的巫师——比如像小说主人公Duracotus的母亲，就可以在其引领下去到月亮。
开普勒作为一位天文学家，主要目的不在传达这部小说的文学性，而是打算利用小说的样式，来表明他对哥白尼日心宇宙体系所持的赞同立场，并在该体系下对月亮进行一些探讨8。他在小说中很认真地想象月亮上居住和地球上相类似的生物。 
空间旅行在科幻小说里一直一个非常受关注的话题。在牛顿时空观下，关于星际旅行的想象主要局限于太阳系内的星体之间——通常是从地球旅行到其他星球。
乔治.威尔斯在《首先登上月球的人们》（The First Men in the Moon1901)这部小说中，描写了一位科学家发明了一种奇异材料——根据威尔斯的解释，所有已知的物质对于地球引力都是“可透的”，即无法阻挡地球引力——但这种奇异材料却是“各种放射能”都“穿透不过”的，它具有能隔断地球引力的惊人性能。因此，这样一种物质所带来的可能性毫无疑问是非比寻常的，小说中那位聪明的剧作家说服了科学家利用这种材料制作了一个球体，两人乘坐这个球体一起旅行到了月球，进行了一番惊心动魄的探险。
在乔治.威尔斯的另一部著名小说《星际之战》（The War of the Worlds1898)中，攻击地球的火星人由于不能适应地球微生物，在原本攻势如潮的情形下突然全部灭亡。从浩劫中恢复过来的人类对火星人留下的机械装置进行了考查，很快取得了惊人的成果，最让主人公难以置信的是，“飞行的秘密”已经被发现了。尽管威尔斯没有明言，但“飞行的秘密”在小说里指的无疑是已被火星人掌握的空间飞行技术，因为根据主人公无意间的亲眼目睹，火星人在极短的时间就从火星到达了地球。
早期的科幻作品中，关于星际旅行最直接的想象来自儒勒.凡尔纳的《从地球到月亮》(From the Earth to the Moon1865)。小说讲述美国南北战争后，炮兵团的一群退伍军人在巴尔的摩成立了大炮俱乐部，这群炮弹技术方面的精英分子很快对和平时期的安宁生活感到厌倦，为了安抚他们，俱乐部的主席有了一个大胆的设想，倡议他们设计一枚能用炮弹把人送上月亮的大炮。凡尔纳在小说中对这枚大炮设计和发射细节的描述令人叹为观止。

爱因斯坦相对论下的时空观，极大地拓展了后来科幻小说家们在空间旅行上的想象力，星际旅行范围从太阳系延伸到银河系甚至河外星系，是从一个行星系统到另外一个行星系统的旅行，这通常被称为超空间旅行（Hyperspace drive or Hyperdrive）。
阿西莫夫对超空间旅行进行了认真的设想，在他著名的《基地系列》（Foundationseries）中9，“跃迁（transition）”是太空飞船在银河系进行超空间旅行的重要手段，这个过程中，太空飞船连带里面的人及其他物体会被转化成无质无形的“迅子”，这是一种“谁也没有侦测到过或见过的东西”。超空间旅行在阿西莫夫的小说中是一项人类在那些被“机器人三大法则”限制的机器人协助下完成的重要成果10。
阿西莫夫在他的科普著作《寻访人类的太空之友》中，对超空间旅行的现实可能性进行认真的探讨11。他指出，即便像科幻小说中那样，假定超空间旅行的能量条件已被解决，但仍然还存在的两个棘手问题。首先，“迅子”的速度无论怎么快，根据物理学法则，它的最大速度不能超越光速12。其次，在“跃迁”时，把物质转变成四处飞散的“迅子”，到达目的地后再在极短的时间内把其还原成原样，这是一个在技术细节上很难确保的一个步骤。
为了弥补超空间旅行在上述两方面存在的缺陷，一些新的旅行方式不断被设想出来。在著名的科幻小说系列《沙丘》（Dune，1965年）中，超空间旅行被描述成通过复杂的变形技术，空间被被折叠起来，旅行可在一瞬间完成，这个过程完全仰赖计算机复杂的计算，但它却是一项极端危险的行动。在另外一部科幻系列剧《星门》（Stargate1994年）中，那扇“星门”就是进行超空间旅行的通道。而在《银河系漫游指南》（Hitchhiker‘s Guide to the Galaxy1978年）中，作者道格拉斯.亚当斯把空间旅行称为“无限非概率驱动”，它是一种惊人的新方法，可以在几乎不到一秒钟的时间内穿越星际间广阔的距离，不再需要在超空间中单调乏味地东碰西碰。
在众多的超空间旅行手段中，著名的虫洞（Worm-hole）和翘曲飞行（Warp Drive）是其中影响最大的两种方式。

二、《时间机器》与第四维理论
威尔斯在小说《时间机器》中把时间构想为“第四维”，神通广大的主人公造出一架机器在时间轴上来回穿梭的的时候，依据的就是这个构想，最重要的是，它几乎为后来绝大多数时空旅行类型的科幻作品所借用。在小说开篇，威尔斯借助主人公之口，表达了他的第四维（four-dimension）观点：
“很清楚，”这位时空旅行者继续说道，“任何真实的物体在四个方向上都有外延：它必须有长度、宽度、厚度和时度。但因为人们的一个弱点，我们倾向于忽略这个事实。四维真的存在，其中的三维是空间的三个平面，第四维是时间。”
1905年，爱因斯坦提出狭义相对论的统一时空观思想，他早年的老师数学家闵可夫斯基随后用数学语言对这种绝对四维时空结构进行了描述。如此一来，威尔斯在小说中把时间表述为第四维的思想，似乎就具有了超前的预见性，但事实上，早期第四维概念的产生并非凭空而出，它的发展过程乃至通俗化和形象化更是经历了一番有趣的过程。
1854年，黎曼（G．F．B.Riemann1826-1866）在德国格丁根大学作了一次就职演讲13，主要内容是他对弯曲表面和多维空间所进行的探索和思考，黎曼认为，所有这些空间其实都可以被自洽地明确定义。黎曼的这次演讲开拓了高维几何研究的新领域，在数学史上的意义不言而喻，它吸引了一些数学家们对多维空间的热情关注，德国著名的数学家亥姆霍兹（HermannvonHelmholtz）就是它的积极宣扬者。这个理论一开始也如同绝大多数其它数学理论一样，是专属学术界的讨论对象，抽象的数学符号使它远离普通大众。然而，不同寻常的是，关于高维理论的这种情形在稍后却被彻底改变。
1876年7月，一位叫斯莱德（HenrySlade）的美国灵媒人士访问伦敦，为很多名流举行降神会表演魔术，如让两个没有断缝的木质环一个套进另一个，在两头拴在固定位置的绳索中间打结，或是让物体在没有支撑的情况下漂浮在半空等等。这在伦敦引起极大轰动，此种情形引得新当选为英国科学促进会特别委员会成员的兰基斯特教授（Pro.Lankester）大为不满，在一次降神会上，他当场指责斯莱德在表演过程中作弊，并随后在《泰晤士报》上发表揭露文章。
伦敦市治安法庭涉入此事，在听取双方辩护之后，斯莱德被判定有罪，并根据移民法被判处了三个月的劳役监禁。出狱后，他辗转欧洲到达德国，被著名天文学家策尔纳14接见。策尔纳当时对数学上的四维概念很感兴趣，在对斯莱德的通灵术进行受控试验后，他认为斯莱德的特异功能实际证明了第四维的存在，因为他那些本领在三维世界中无法想象，在第四维中却是轻而易举的事情——就如同在二维情形下无法做到的事情，在三维世界中却很容易实现。在策尔纳1878年出版的《先验物理学》（TranscendentalPhysics）中，还有对斯莱德通灵术的解释，认为一些自然界中原本不可能发生的事情可以被居住在第四维中幽灵变为现实。
涉入此事并参与控制试验的还包括一些当时大名鼎鼎的科学家，如著名物理学教授韦伯15、费希纳16、莱比锡大学的著名心理学、哲学教授冯特17和数学教授施伯纳（ W.Scheibner）。整个事件在当时倍受关注，但总体而言，策尔纳对斯莱德通灵术的第四维解释并没有得到主要科学家团体的接受和认同，也引来了一些评论家的嘲讽。然而，第四维概念却因此在大众中开始广为流传开来。18
为了满足公众对第四维的好奇心，当时的一些流行杂志，如《哈珀周报》、《大众科学月刊》甚至《科学》都不惜版面掺和进来，积极培养公众对第四维的兴趣。在十九世纪末的几十年间，第四维成为一个很时髦的话题。
英国数学家查尔斯·欣顿19甚至终生致力于第四维的通俗化和形象化，除了撰写出一系列和第四维相关的文章和一部科幻小说《科学冒险故事》，他还花去很多年的时间设计出一个能让人们从中“看见”第四维的“超正方体”（tesseract，也叫欣顿立方体），它曾出现在达利著名的油画《基督的超立方体》中。后来的很多科幻作品中都涉及到超正方体，罗伯特·海因莱茵20有不少作品和超立方体有关的，其中最著名的是《他造了一所变形屋》（And HeBuilt a Crooked House 1940)和《光荣之路》（Glory Road 1963)。而电视系列剧《胡博士》（DoctorWho）中的时间机器其实就是一个超正方体，另外，电影《异次元杀阵ⅠⅡ》（Cube : HypercubeⅠⅡ 1997年2002年）讲的则是一群人迷失在超正方体中的故事。
与欣顿同时期，其它科幻作家也纷纷创作和多维相关的作品，阿伯特（Edwin AbbottAbbott）在1884年写的《平面国——正方形在多维中的传奇故事》（Flatland: a romance of manydimensions），是这方面当之无愧的代表作。小说的主人公是一位正方形先生，他身处一个专制的二维国度，这里等级森严，女人是线条，贵族是多边形，主教是圆圈，最主要的是，讨论第三维是被严厉禁止的，犯者会被施以极刑，正方形先生偶尔会自以为是一下，但其实他性格本份，从未打算向任何权威发起挑战，可某一天，当一位球形勋爵把他带往三维国度一游之后，他的思想世界被彻底颠覆了，这也成为他人生悲剧的开始。
稍后一年，威尔斯在《时间机器》中，也表达了他对第四维的观点，不过，威尔斯的构想并非独一无二，因为欣顿在《科学冒险故事》的第一个故事《什么是第四维？》（What Is the Fourth Dimension? 1884)中，就已经把第四维描述为时间。
威尔斯的另一部小说《隐身人》(The Invisible Man，1897年)，表达的则是他对第四维的另一种想象方式，和当时绝大多数科幻作品一样，第四维在这里被描述得具有了某种神秘主义色彩的洞悉和超然——从中可以看出策尔纳用第四维概念解释通灵术的思想影响。相较而言，《时间机器》中把“第四维是时间”的构想其实属于少数派，在当时也没有引起很大关注。这一点可以从后来的一个事件中看出：1909年，《科学美国人》发起一次独特的竞赛，悬赏500美元，主题是“给第四维的最佳通俗解释”，竞赛的规则是“用2500个单词的文章来阐明第四维的意义，以便一般的非专业读者能理解它”，这次竞赛吸引了来自世界各地大量立论严肃的文章，但是，结果让人惊讶——即便是在狭义相对论已经发表了四年之后——关于第四维的解释，它们中没有一篇提及时间。21

三、爱因斯坦场方程
1949年，哥德尔（Kurt G?del 1906—1978）发现一个爱因斯坦场方程的解，描述了一个旋转但既不膨胀也不收缩的全宇宙，这后被称作“歌德尔宇宙”，从理论上而言，它允许时间旅行。
事情的起因颇具偶然性，这一年的3月14日，恰逢爱因斯坦70岁诞辰，作为爱因斯
坦晚年私交甚好的朋友，哥德尔应邀为著名的《在世哲学家文库》（Library of LivingPhilosophers）中的“爱因斯坦卷”撰文以作纪念。哥德尔向来以数学家的身份名于世，但他早年在维也纳大学上大学时，一开始学习的却是物理学，写一篇关于广义相对论的论文对他而言也算是重操旧业了，可是，哥德尔的偶然客串却得到了意想不到的结论。
他在《爱因斯坦引力场方程一类新宇宙论解的一例》22中宣称，他为爱因斯坦引力场方程给出了一个新解，它是一个比其他已知的解都复杂的精确解。这个解把宇宙中的整个物质看作是不可压缩的理想流体物质，在这个模型中，宇宙以不变的角速度绕着一个固定的坐标系旋转。在这个构想前提下，哥德尔对“时空旅行”进行了表述23 ：
在这个解中的每一条物质线都是一条无穷长的闭合曲线，它们永远不会再与它前面的任何一点相接近；但是，也存在封闭的类时曲线。特别是，如果P和Q是物质的一条世界线上的任何两点，而且P在Q之先，就存在一条连接P和Q的闭合类时曲线，那么也可以说，Q在P之先。即理论上，在这个世界中回到过去旅行（或者影响过去）都是有可能的。
哥德尔的解一公布就受到很大关注， 因果性问题此后一度成为物理学的争论焦点，物理学家后来在哥德尔宇宙中找到了不足，那就是他假定宇宙中的气体和尘埃缓慢转动，但在实验中并没有宇宙尘埃和气体有任何转动，相反，宇宙正在膨胀，但并没有呈现出转动24。
哥德尔并不是第一个从场方程中找到允许时空旅行解的人，1937年，荷兰物理学家J. vanstockum就已从爱因斯坦场方程中得到一个解25，得出了一根快速旋转而又无限长的柱体的重力场，这样一个场将会违反因果律，它允许出现连接两个时空的闭合类时间曲线，这意味着这根无限长柱体能够起着时间机器的作用。但是，物理学家从来就认为宇宙间不存在无限长的东西：他们猜测（但没有证明），如果柱体长度有限，它就不会是时间机器。26
1974年物理学家Frank J.Tipler在一篇论文中重新提到斯托库姆的解27，对旧解进行重新分析后，Tipler认为一根有限长度并接近光速旋转的柱体也可能成为时间机器，这通常被称为“蒂普勒柱体（TiplerCylinders）”。在蒂普勒之前，物理学家E.纽曼和他的两名助手在1963年也发现了一个允许时空旅行的爱因斯坦场方程解28，这后来被命名为“NUT真空解（NUTvacuum）”（以三位作者的首字母命名）。到蒂普勒的理论提出的时侯，基于爱因斯坦场方程所预言的黑洞、引力波和时空奇点都已被证明确实存在，所以，物理学界虽然对它允许时空旅行的这些非正常解（pathological solution）不一定接受，却已是见怪不怪了。
以上几个理论研究成果，被科幻作品所借用的主要是“蒂普勒柱体”，它在一些小说或电脑游戏的情节中曾经出现，如John DeChancie的作品Starrigger（1983），Poul Anderson 的 The Avatar（1978年），TerryPratchett的 Discworld 系列（1983年），日本电脑游戏《超级机器人大战》（Super Robot Wars ，1991年），以及角色扮演游戏Continuum: role playing in The Yet（1999年）等等。
而“哥德尔宇宙”和“NUT真空解”尽管在理论物理学界非常著名，但在科幻作品中却不太见到。究其原因可能是，要把它们合理嵌入作品情节中并不是一件太容易的事情。

四、《接触》与虫洞理论
《接触》（Contact）是著名的天文学家和科学作家卡尔.萨根于1995年根据自己的同名小说所拍摄成的一部电影，为了避免和很多科幻片一样，仅为追求艺术的精致而失去了科学的真实，萨根在拍摄过程中专门聘请了科学界的一些杰出人士，来组成影片的科学顾问班底，并为他们开出了一套有份量的科学参考读物，其中包括索恩的《黑洞与时间弯曲》和加来道雄的《超越时空》。29这在好莱坞科幻片制作史上并不多见。
这部影片的主要内容和萨根感兴趣的领域有关——探索地外文明，这个题材在科幻作品种通常都会涉及超空间旅行，因为超空间旅行是探索地外文明时到达其它星球的基本技术手段。《接触》中多处提及时间机器，相关的情节一波三折——第一次造出的那架价值300亿美元的时间机器曾毁于一位宗教狂热分子手中，直到影片最后，对SETI计划（Search for Extra-TerrestrialIntelligence，即“地外文明探索”）满怀热忱的女主人公才终于一遂心愿，通过时空旅行到达了织女星。为了体现其科学真实性，影片动用多组画面对时间机器和女主人公的时空旅行过程进行直接描述——在其它影片中，这样的情节通常都是稍带提及的。
事实上，萨根在1985年创作《接触》原著时，就曾在时空旅行这个细节上颇费了一番心思。按照他一开始的构想，女主人公落进地球附近的一个黑洞，然后通过超空间旅行，1小时后出现在距离26光年外的织女星上。因为在当时，大多数科学家和非科学工作者都不知道黑洞中心的性质，所以许多大众文章和一些专业文献声称，你能够穿过黑洞的中心并且在宇宙的其它地方现身30。
从爱因斯坦广义相对论中推导出时空旅行的可能性，似乎已被大多数人所认识到——很大程度上这得归功于科幻作品的传播效应，但事实上对其具体细节的认识则相当模糊和含混的。十年前——也就是1976年，英国培根基金会（Francis BaconFoundation）还曾悬赏300英镑来专门征求一个相关问题的解：
“按照目前的理论，转动黑洞是通往其他时空区域的真实入口，那么一个飞行器怎样才能通过一个转动黑洞进入另一个时空区域，而不被奇点的引力摧毁？”31
当然，这个问题从未获得过圆满解决。萨根不是相对论专家，他对自己设置的利用黑洞作为时空旅行手段的技术细节并不是太有把握，为了寻找科学上能站住脚的依据，他向著名物理学家基辅.索恩（Kip. S.Thorne）求助。尽管之前已有哥德尔等一些科学家从爱因斯坦场方程中得到允许时空旅行的解，但更多的物理学家则把时空旅行和科幻小说中的流行情节一样对待——差不多归入UFO一类，你可以兴意盎然地去阅读，但如果把它纳入物理学范畴来进行探讨，那无异于进行学术冒险——更为保守的物理学家则根本就把它看作无稽之谈。所以，当索恩欣然应允萨根的要求时，还真需要点特立独行的勇气才行。
索恩和他的学生经过论证得出结论，进入黑洞的所有物体都会被强大的潮汐引力撕得粉碎，作为时空旅行手段这是不可跨越的障碍，并建议萨根在小说中，把黑洞改称“虫洞”。
“虫洞”的性质很早就被发现了：1916年，爱因斯坦广义相对论发表后的几个月，史瓦西在爱因斯坦引力场方程里发现了一个解——著名的史瓦西解，同年，弗拉姆（LudwigFlamm）对其数学推导过程进行重新诠释以后，揭示出它的虫洞本质——它事实上是描述了空的球形虫洞32。1935年，爱因斯坦和其学术助手罗森在一篇论文中33，把连接宇宙中两个遥远区域之间的假想通道称为“桥”——后来这被称为爱因斯坦-罗森桥，其实也就是“虫洞”。
萨根的小说中，地球距离织女星是26光年，但若通过一条虫洞连接它们的话，也许就才1公里。但是，以虫洞作为时间机器，也还面临一个棘手问题：按照爱因斯坦场方程的预言，虫洞在某个时刻产生，短暂地打开，然后关闭、消失——从产生到消失，时间极短，没有事物能在这么段的时间内从一个洞口穿过它到达另一个洞口。除了因为无法从自然界推导出虫洞的生成方式外——而黑洞则已被证明是恒星的坍塌结果，这也是物理学界长期对虫洞报以怀疑态度的另一个主要原因。索恩最终设想以具有“负能量密度”的奇异物作为保持虫洞持续开放的物质条件，并把实现条件设置在高级智慧生物无限先进的文明背景下。换言之，索恩在这个问题上考虑的主要是数理上的自洽性，而非现实可能性。

索恩把这一系列和时空旅行相关的研究成果，以论文形式主要发表在顶级的物理学杂志《物理学评论》上，这样的杂志每年都会收到大量宣称制造出时间机器的文章，但从来没有一篇被接受发表过，因为它们没有建立在爱因斯坦场方程上的严密推导过程，而索恩的这些论文则很好的满足这一条件。所以，即便是像《虫洞、时间机器和弱能量条件》34这样的论文，尽管文章摘要让人感觉科幻味儿十足：“本文讨论的是，如果物理法则允许一个高级文明智慧生物在空间中制造和维持一个虫洞，那么这个虫洞将被改造成违背因果律的时间机器用于星际航行”，题目中也直接就有“时间机器”的字样，但最后还是被接受发表——在此之前，为了避免引人注目并被冠以“科幻物理学家”的头衔，科学家们在参与时空旅行的相关讨论时，通常都把“时间机器”说成“类时闭合曲线”（ closedtime-like curve）。
对那些有兴趣研究时空旅行的物理学家而言，索恩对时空旅行研究取得的进展无疑令人鼓舞，一些人在之后开始参与其中，他们中有俄籍物理学家诺维柯夫、普林斯顿大学的理查德·高特以及史蒂芬.霍金。不过，值得一提的是，很多物理学家还是一如既往拒绝讨论和时空旅行相关的任何问题。
萨根也许未曾预料到，他当初的这一提问会在科学领域内打开这样的局面，引发物理学界对时空旅行新的关注，其中，维持虫洞持续开放的奇异物质的相关研究甚至成为该领域内的一个重要课题，而“外祖母佯谬”，也找到了新的解决途径：索恩和诺维柯夫相对于“平行宇宙”理论，提出了一套更为保守的方案。 
关于萨根对时空旅行研究的间接推进——尽管这已被他其它方面更为耀眼的成就所掩盖，索恩曾有过这样的评价：
“一本像《接触》这样的小说，在科学研究上促成一个重要的新方向，这很少见，也许真是绝无仅有的。”35
事实上，《接触》并非真的“绝无仅有”。

五、《星际迷航》与翘曲飞行理论
《星际迷航》（StarTrek）讲述的是发生在二十三世纪以后，一组太空人员驾驶太空飞船“企业号”在银河系中进行探险的多系列故事。《星际迷航》初始系列36一开始由美国NBC播出，但却收视平平，乃至第三季播放还未结束，NBC即将其撤下。意想不到的是，停歇了差不多十年之后，随着第二系列《星际迷航：下一代》37的播放，该剧却在全美掀起热潮，编剧兼制作人吉恩.罗顿伯里（GeneRoddenberry）晚熟的天才终于得到承认。此后，《星际迷航》又连续出了三个系列38，播放档期一直排到2005年，加上它早期的动画系列39，《星际迷航》前后共出了六个系列，它改编成的电影自1979年至2003年前后共上映了十部片子，其电脑游戏从1974年开发以来也一直在不断升级换代。《星际迷航》在全世界范围内培养了数目庞大的“迷航迷”。
在《星际迷航》一、二系列的每集开头（少数几集例外），一个画外音都会响起，“探测未知新世界，寻找新的生命形态和文明形式，勇敢探索那些人类之前从未到达的地方”，这是《星际迷航》中“企业号”在太空中的探险目的。很多幻想技术在这个过程被涉及，如翘曲飞行（WarpDrive）、虫洞、三维传输器、全息幻觉甲板等等，其中翘曲飞行（Warp Drive）是《星际迷航》里太空船进行超空间旅行的技术手段。
“企业号”在银河系中的太空航程几乎都是光年量级的，剧情发展不容许它花费太多的时间在星际航行上，所以，打破光速壁垒进行超空间旅行就成为“企业号”必备的一项基本技能，根据《星际迷航》编剧别出心裁的想象，企业号通过翘曲飞行从出发点到达目的地时，它能使两地之间的空间发生卷曲并建立一条翘曲通道，以此来实现超光速旅行。在《星际迷航》的专门技术手册中能看到制作者为“企业号”翘曲飞行编写的基本公式，随着电视新系列的推出，企业号的升级换代，这个公式还被不断加入新的参数来进行修正和完善，尽管它从未直接在电视画面中出现过，但在"迷航迷"中却广为流传，从每一集中寻找与之不符的疏漏，也就成为"迷航迷"们乐此不疲的一项娱乐活动。
翘曲飞行很容易让人联想到索恩为小说《接触》构想的虫洞理论，不过虫洞作为时空旅行手段毕竟是出自物理学家有理论依据的建议，一出来就倍受关注。而翘曲飞行理论则完全是幻想的结果，除了“迷航迷”们会认真对待它——这也是纯粹出于娱乐目的，很少会有物理学家对这个杜撰理论加以认真考虑的。
1994年，威尔士大学一名博士生马格尔.埃尔库比尔（MiguelAlcubierre），在《经典与量子引力》发表了一篇对翘曲飞行进行认真讨论的论文40，这种情形才开始有所改变。在这篇论文中，埃尔库比尔并不讳言他的研究对象其实就是科幻中“翘曲飞行”的旧话重提，他认为，通过对太空飞船尾部的时空区域进行局部扩展，相对地就会在飞船前方形成一个压缩区域，这种情形下，飞船超光速旅行是可能的。埃尔库比尔的这个结论也是建立在对爱因斯坦场方程求解的基础上，并且，和索恩的虫洞理论一样，要让飞船前后部位的局部时空区域发生扭曲，也同样需要负能量密度的奇异物的支持。
翘曲飞行在物理学上的解释与《星际迷航》中的原本构想已是迥然不同，现在一般也被称作“埃尔库比尔飞行（Alcubierre drive）”，它引发了关于时空旅行新的研究热潮41，后来的讨论重点主要集中在翘曲飞行的能量条件——奇异物上。
埃尔库比尔在1994年得出对翘曲飞行的研究成果时，也正是在索恩的虫洞理论在物理学界掀起时空旅行研究热潮之后，前者的讨论主要在《经典与量子引力》，后者则集中于《物理学评论》（见附录3），两份刊物都是物理学的顶级杂志。虫洞研究所带来的影响还波及《星际迷航》新系列的创作，在第三系列《星际迷航：第九外层空间》（DS9）中，罗顿伯里的新任接班人不仅对剧情进行大胆拓展改编，而且还引入了时髦的虫洞作为故事核心，该系列整个剧情都是围绕着在银河系中发现的一个虫洞所引发的冲突展开的。
此外，“三维复制”（ tractorbeam）在《星际迷航》中也是进行时空旅行的另一种重要手段，这种设想在剧中曾频繁出现，为了不在细节上耗费太多时间，企业号被设想们设想为永远处于航行状态，从不着陆，编剧为此专门设想出三维传输器，如果飞船中的船员打算亲自探访其它星球，只需对着那装置说一声“将我发射出去”42，就能实现。在《重返中世纪》（Timeline，1999年）的原著中，作者迈克尔.克莱顿让故事中的人物通过三维复制来让小说中的人物回到中世纪的，针对它书中还有详细的“科幻式”解释43。
时空旅行中的另外两种类型——前往未来和回到过去，在《星际迷航》的故事系列中占了相当大的比重，据一位资深“迷航迷”的大略统计44，在它的前两个系列中，就有至少不下22集是涉及时空旅行的，第三系列开始，《星际迷航》的创作由罗顿伯里的接班人继任，他们对时空旅行的兴趣依然非常浓厚。而在《星际迷航》所改编成的十部影片中，公认故事讲得最成功的《星舰迷航IV：抢救未来》（Star Trek IV: The Voyage Home1986 )，也是一个和时空旅行有关的故事。
值得一提的是，相对超空间旅行所达到的“超光速” （ FasterThan Light orFTL），在其它影片中，关于“超光速”还有其它描述方式，如著名影片《超人 II》中，超人以超光速飞行回到过去，重新对事件的发生进行干扰，挽救了女朋友的生命，在国产片《无极》中，也有通过超光速奔跑回到过去的时空旅行情节。这里的超光速与虫洞和翘曲飞行中的超光速完全不是一个概念：前者指的是绝对速度大于光速，后两者则是改变空间物理结构、建立捷径缩短空间距离，让太空船在时间上“打败光速”航行。事实上，在物理学家针对时空旅行所进行的研究中，光速壁垒不能被打破是首先要被遵从的物理法则之一。

六、时间佯谬的解决——多世界理论和诺维柯夫自洽原则
回到过去的时空旅行所引发的因果律背反所造成的时间佯谬，作为一个很好的故事材料，在科幻作品中回到过去的时间旅行类型中被反复使用，一个问题也由此引出：如果可以回到过去，如果历史可以被改变，这个世界将是怎样的情形？科幻作家JohnVarley在他的小说Millennium45（1982年）中，曾从“技术滥用”的角度表达过这种担忧46： 
“时空旅行是如此之危险，以至于氢弹也成了孩子们和低能儿的相当安全的礼物了。我的意思是，对于核武器而言，能发生的最坏的情况是什么？几百万人口的死亡——微不足道，而有了时空旅行，我们可以毁坏整个宇宙，根据这个理论大抵如此。”
在《时间警察》这样的影片中，这一思想则被演绎到极致：在未来的某一天，时空旅行成为现实，这时候，世界上出现了一种职业—时间警察，他们专门追捕那些通过时空旅行回到过去干涉历史的罪犯。
这的确是一个难题。尽管从1949年哥德尔开始，不少科学家已经先后在爱因斯坦场方程中找到了允许时空旅行的解，但时间佯谬还是被作为排除人类通过时空旅行回到过去的一个有力反证，也是因为这一点，一些物理学家断然拒绝进行与时间机器论题相关的任何研究47。
事实上，时间佯谬还是存在解决方案的。
1957年，Hugh Everett在博士论文中提出“多世界解释”（many worldinterpretation）48，这是针对量子测量中波函数坍塌的疑难提出的。他认为，在量子测量过程中，观察者的观察状态分裂成不同的分支，每一分支对应客体系统中的一种本征态，代表观察者所得特定的测量结果，所有分支是共存的，具有同等的实在性，结论是波函数并没有坍塌。
埃弗莱特的“多世界解释”发表后，虽然有导师惠勒（JohnWheeler）的推荐和修改，在物理界仍然反应冷淡。受到冷落的埃弗莱特逐渐退出物理学界，而他的“多世界解释”见解也长期不为人们所重视，直到70年代，布莱斯.德威特（Bryce S. De Witt）重新发掘了这个理论并在物理学家中大力宣传，它才开始为人所知。
多世界解释后来被时空旅行故事作为背景广为借鉴。在Michael Moorcock的小说系列Eternal Championstories中，多世界理论有了一个新的科幻名称“多元宇宙（multiverse）”，它被后来的小说家们一直沿用，它的其它别称也相继在科幻作品中产生，如“平行宇宙”、“平行世界”、“更替宇宙”等等，名称大同小异，思想主旨也基本一致：事件发展的每一种可能性都会导致不同的结果产生，从而构成各自的历史事件并独立共存着。“外祖母佯谬”从中也找到了解决方案：时空旅行者回到过去杀死他的祖母，事件进入一个不同的历史分支，这个历史分支包含一个时空旅行者和他死去的外祖母。但是，原来那个历史事件也仍然存在，外祖母活着并生出母亲，母亲又生出后来的时空旅行者。
与这个理论相关的科幻作品最受称道的——特别对崇尚“硬科幻”的人而言，是格雷戈里.本福德的《时景》49（Timescape，1980年），故事被设置在1998年，主人公使用了一个超光速粒子向1963年发送了一个信号，告知那时的科学家1998年将出现席卷全球的生态灾难，让他们预先采取措施以改变事情的发展方向，把历史事件扭向另外一个发展轨道上。理查德.高特50一篇论文中的内容，还作为制作超光速粒子发射器的重要线索在小说中被提到。
电影中，《蝴蝶效应》很典型，主人公一次一次通过日记本，回到过去更改历史，使事情行进到平行的另外一个时间分支中发展；表达方式更为极端的影片如《土拨鼠日》，主人公每天清晨醒来后都会发现自己又很怪异地回到了头一天，“土拨鼠日”被不断重复。相类似的《十二点零一分》也是如此，一件事总是在每天的“十二点零一分”重复出现，处置方式不一样，整个事件的发展也完全不一样。相较而言，《救世主》对“平行宇宙”的思想表达则过于简单直白，它讲述的是来自多个宇宙的同一人之间决斗的故事。

“多世界理论”对时间佯谬的解决通常被认为比较激进。后来的K.S.索恩和I.D.诺维柯夫在研究虫洞理论时，对时间佯谬提出了新的解决方法51：“诺维柯夫自洽原则”（Novikov Self-consistencyPrinciple）。同样，这个原则主要基于物理学上的自洽，而非现实中的事件情形，这里想回避掉的是自由意志的问题，用索恩的话来说52：
“即使宇宙中没有时间机器，自由意志现在也是令物理学家手足无措的问题。我们通常总是逃避它，认为它不过是把原本清楚的事情弄得更复杂罢了。在时间机器上，更是如此，所以……坚持不在文章中讨论人类穿越虫洞的事情，我们只谈简单的非生命旅行……。”
在新的解决方案中，“外祖母佯谬”中那位回到过去想杀死自己外祖母主人公，无论如何也不会得逞，因为他会被种种因素所干扰限制，这是被时间旅行者进入时间机器前的初始条件就决定了的，所以，过去历史不会被更改。按照诺维科夫的说法53，物理定律不允许时间旅行者杀死自己的祖母，就像物理定律不允许人们行走在天花板上一样，只不过前者加在自由意志上的约束是“不寻常的、神秘的”，但与后者相比并非全然独一无二的，“虽然有所不同，但不是根本的不同”。
相较多世界理论，自洽原则通常被认为较为保守，但它在科幻作品中仍然被广泛运用。在电影中，《十二只猴子》属于这一类型，主人公回到过去，他最终没有改变历史而是被击毙；2002年新版《时间机器》中，科学家多次乘坐时间机器回到过去，希望改变未婚妻被杀害的事实，但这件事却无论如何都会发生。
任职于NASA的科学家Geoffrey A. Landis在他的小说《狄拉克海上的涟漪》54（Ripples in the Diracsea 1989年）中设置了“时间旅行准则”，把诺维柯夫自洽原则成功地和整个故事情节结合起来：1、旅行只能前往过去；2、传送对象要回到精确的出发时间和地点；3、把过去的对象传送到现在是不可能的；4、过去的行为不能改变现在。准则1限制人们不能预知未来，准则4则是专门针对时间佯谬的。故事中那位发明时间机器的天才科学家，在公布他的成果之前，却被困在一个发生火灾的旅馆中，尽管他可以一次又一次地乘坐时间机器逃到过去，但他却不能改变历史，所以，火灾还是会发生，死亡还是在一步步逼近——最重要的是，时间机器也将被毁掉了。

七、物理学家对时空旅行的看法
通过上述对科幻作品中时空旅行物理学历史理论背景的分析，不难看出，该题材科幻作品在不断涌现中，其创作与相关科学理论研究始终保持着密切联系。科幻作品从物理学理论上前沿成果中不断获取创作灵感——这是时空旅行题材的科幻作品能够持续涌现的主要原因，与此同时，物理学研究也在接纳吸收科幻作品所带来的启发性思路。
相关的讨论也还远未结束，在物理学界对时空旅行持否定态度的观点也一直存在着。事实上，早在哥德尔公布他允许时空旅行的场方程解时，爱因斯坦就曾对此做出过回应55：
“这里涉及的问题还在建立广义相对论的时候已经搅得我心烦意乱了，我一直没能把它澄清。完全撇开相对论与唯心主义哲学、与所论问题的任何哲学提法之间的关系不谈，权衡一下有没有物理根据去排除这些解将是令人感兴趣的”。
最主要的是，尽管时空旅行的能量条件在科幻小说家那里几乎都不太成问题，但却是物理学家最为关注的问题，由于所有的理论表明时空旅行只有在高速运动的世界中才有可能发生，非凡的能量条件就是时空旅行所必备条件之一。理论物理学家鲁佩茨.伯格（HeinzRupertsberger）针对这种情形曾表达了他颇具代表性的担忧56：
“时间旅行所需的速度需要超过光速的70%；所需要的能量是巨大的。如果把地球想像为火箭，把它的物质想像为以光速喷射的火箭燃料，这件事就变得清楚了。非常粗略的计算，要进入一条物质世界线过去100年中旅行——旅行者需要在其中旅行100年——至少旅行结束时，需要消耗相当于使地球塌缩成一个半径为6米的天体所需要的那么多的地球物质。”
索恩在研究虫洞时，一开始就预料到他的理论将面临这一难题，所以他一再强调把实现时空旅行的计划交给无限高级的先进文明去完成，只单纯探讨物理学理论法则允许物理学家们对此做些什么。即便这样，虫洞理论也还是没有避免来自理论层面的置疑。史蒂芬.霍金提出了的时序保护猜想（TheChronology ProtectionConjecture）57，经过论证，霍金认为，物理定律会以某种方式阻止时间旅行成为可能——无限先进的文明也不可能制造出时间机器，在机器启动的那一刻，它会被强大的量子真空引力所击碎。
这个思想也可追溯到科幻作品：前面提及的电影《时间警察》、阿西莫夫的著名小说The End of Eternity（1955年）、CharlesStross的小说 Singularity Sky（2003年），都是涉及这一主题的作品，电视系列剧《胡博士》和《星际迷航》自然也不会放过这一题材。著名连环漫画MarvelUniverse（1961）更是把这一思想夸张到了极至，它里面类似于时间警察的Time VarianceAuthority（TVA）主要职能就是管理并存的多宇宙和修剪那些有危险存在的时间线，以及防范那些打算改变过去或未来历史的犯罪行为。
在索恩60岁生日上，他提出了十个猜想和预言58。猜想9听起来还不无乐观：
我们将证明，物理学定律确实允许在人体大小的虫洞内存在足够的奇异物质，从而保持虫洞的开放。但我们也将证明，制造虫洞和打开虫洞的技术远远超越我们人类文明的能力。
但他的最后一个猜想则表明他最终被霍金的理论说服了：
我们将证明，物理学定律严禁回到过去的时间旅行，至少在人类的宏观世界是这样的。不论多么先进的文明付出多么艰辛的努力，都不可能阻止时间机器在启动的时刻发生自我毁灭。
尽管如此，但时空旅行——特别是超空间旅行对人类目前的技术拓展毋庸置疑有着很大的诱惑力：1996年翘曲飞行被NASA列入BPP（Breakthrough Propulsion PhysicsProgram）计划之一，2002年该计划被停止59，有关翘曲飞行的研究自然也搁置下来，意味着它距离实现依然非常遥远。
事实上，时空旅行的现实可能性除了来自物理学法则和物质技术水平的局限之外，来自哲学层面上对因果律的思考也使它陷入困境，所以，对于时空旅行，现在唯一能做出的预测也许只能是：与其相关的争论还将从这两个方面被继续下去，这也恰恰就是这个科幻分支继续存在下去的主要原因。

附录
    时空旅行题材的电影（电视）作品，按出品年代排序（多年代表示多版本或多系列），空格表示电影中未提及：

名称	国别	出品年代	时间旅行方式	时间旅行 手段
《时间机器》 The Time Machine （三个版本）	美国	1968、1969、2001	未来	时间机器
《胡博士》Doctor Who(电视系列)	英国	1963-现在	过去 未来 超空间	超立方体
《星际迷航》Star Treck（系列电视剧）		1966-2005	过去 未来 超空间	太空船
《猿人星球》Ⅰ、II、III Planet of the ApesⅠ、II、III	美国	1968、1969、2001	未来	飞机
《一次又一次》 Time After Time	美国	1979、1985	未来	时间机器
《超人II》 superman	美国	1980	过去	超光速飞行
《时光倒转七十年》 somewhere in time	美国	1980	过去	催眠
《终结者ⅠII III》 The Terminator Ⅰ II III	美国	1984、1991、2003	过去	时间机器
《回到未来》Ⅰ、II、III Back to the FutureⅠ、II、III	美国	1985、1989、1990	过去	汽车
《比尔和特德的精彩冒险》Ⅰ、II Bill&Ted‘s Excellent AdventureⅠ Bill&Ted‘s Bogus Journey II	美国	1989、1991	过去	电话亭
土拨鼠日Groundhog Day	美国	1993	停止
《12点零一分》 12:01	美国	1993	停止
《大话西游》	中国	1994	回到过去	月光宝盒
《时间警察》 time Cop	美国	1994、2003	过去	时间机器
《十二只猴子》 Twelve Monkeys	美国	1995	过去	时间机器
《接触》contact	美国	1997	超空间	时间机器
《黑洞视界》 Event Horizon	美国	1997	超空间	太空船
《生死调频》Frequency	美国	2000	平行宇宙
《居家男人》   The family man	美国	2000	平行宇宙	睡眠
《救世主》The one	美国	2001	平行宇宙
《穿越时空爱上你》Kate & Leopold	美国	2001	过去来到现在
《触不到的恋人》	韩国	2001	多世界
《重返中世纪》Timeline	美国	2003	平行宇宙	三维复制
《情牵一线》	中国	2003	平行宇宙
《蝴蝶效应》The Butterfly Effect	美国	2004	回到过去	日记本
《雷霆万钧》A Sound of Thunder	美国	2005	回到过去	时间机器
《无极》	中国	2006	回到过去	超光速奔跑
《湖边小屋》The Lake House	美国	2006	多世界

　

　

　

20071028加入