三、广义相对论与时间旅行
1949年，著名逻辑学家哥德尔在广义相对论中发现了一个非常奇特的解，描述一个如今被称为“哥德尔宇宙”的整体旋转的宇宙。
在这种宇宙中，物质的旋转对时间方向会产生拖曳作用，离旋转中心越远，拖曳作用就越显著。在足够远的地方，拖曳作用足以形成闭合类时曲线。
因此，在哥德尔宇宙中只要让飞船沿某些远离旋转中心的轨道运动，原则上就可以实现时间旅行。
哥德尔这位曾经以哥德尔不完全性定理震撼整个数学界的逻辑学家，又用他的旋转宇宙震动了包括爱因斯坦本人在内的许多物理学家。
可惜的是，哥德尔宇宙并不符合天文观测。首先，我们所生活的宇宙并不存在整体的旋转[注四]；其次，在哥德尔宇宙中宇宙学常数是负的，而我们观测到的宇宙学常数却是正的，因此我们所生活的宇宙显然不是哥德尔宇宙。
不仅如此，定量的计算还表明，即便我们真的生活在一个哥德尔宇宙中，也很难实现时间旅行，因为沿哥德尔宇宙中的闭合类时曲线运行一周所需的时间与宇宙的物质密度有关，对于我们所观测到的物质密度而言，沿闭合类时曲线运行一周起码需要几百亿年的时间。因此哥德尔宇宙对于时间旅行并无现实意义。
不过，哥德尔宇宙虽然没有现实意义，但它的发现表明广义相对论的确允许闭合类时曲线的存在，这本身就是一个鼓舞人心的结果。
自那以后，物理学家们在广义相对论中又陆续发现了其它一些允许闭合类时曲线的解。
比如1974年，美国图兰大学(Tulane University)的物理学家梯普勒(FrankJ、Tipler)研究了一个无限长的旋转柱体外部的时空[注五]，结果发现只要旋转速度足够快，这样的柱体对外部时空所起的拖曳作用也足以形成闭合类时曲线。
又比如1991年，普林斯顿大学的天体物理学家高特发现两条无限长的平行宇宙弦以接近光速的速度彼此擦身而过时，也会在周围形成闭合类时曲线。
与梯普勒人为引进的旋转柱体不同的是，宇宙弦的存在虽然还没有明确的实验证据，但它是许多前沿物理理论所预言的东西。因此高特的结果可以算是把时间机器在理论上的可能性又推进了一步。
但是梯普勒与高特为了数学上的便利都引进了无限长的物质分布(即“无限长的旋转柱体”和“无限长的平行宇宙弦”)，这在现实世界中显然是不可能严格实现的。
假如物质的分布不是无限的，还可以得到类似的结果吗？物理学家们对此也做了研究，但情况不容乐观：1992年，著名物理学家霍金给出了一个令人沮丧的结果，那就是如果能量密度处处非负，那么试图在任何有限时空区域内建造时间机器的努力要想成功，都必须产生物理学家们最不想看到的东西——时空奇点[注六]。
时空奇点对于研究广义相对论的人来说是并不陌生的，它具有一系列令人头疼的性质，比如物质的密度发散，时空的曲率发散，等等[注七]。虽然没有人确切知道时空奇点的出现会对时间旅行产生什么影响，但这种影响很可能是凶多吉少的。
霍金的这个结果对于建造时间机器无疑是坏消息，但细心的读者也许注意到了，这个结果中有一个限制条件，那就是“能量密度处处非负”。这个条件粗看起来是非常合理的，但我们在介绍虫洞的时候已经提到过，负能量物质的存在不仅在理论上是可能的，而且已经得到了实验的证实。
既然负能量物质可以存在，那么霍金的结果(确切地说是其中的结论部分)就有可能被避免。
这方面的研究事实上早在霍金的结果出现之前就已经有人进行了——当然目的不是为了避免当时尚未出现的霍金的结果：加州理工学院的物理学家索恩(Kip Thorne)与学生莫里斯(Mike Morris)等人在1988年发表的一项有关“可穿越虫洞”(traversable wormhole)的研究中，发现虫洞不仅是空间旅行的通道，而且还可以作为时间旅行的工具——只要让虫洞的出入口以接近光速的速度作适当的运动，就可以将虫洞转变成时间机器[注八]。
由于虫洞中含有负能量物质，因此他们这种时间机器可以避免霍金的结果，不导致时空奇点(从这个意义上讲，负能量物质还真是很有“正能量”)。
索恩等人的这一研究把科幻小说中最具魅力的两个概念——虫洞与时间机器——联系在了一起，集“万千宠爱”于一身，很快就成为了建造时间机器的热门方案。
但是，索恩等人的虫洞时间机器虽然可以避免霍金的结果，却立即遇到了另一个棘手的问题，那就是虫洞一旦成为时间机器，在类时曲线闭合的一刹那，任何微小的量子涨落都有可能通过那样的虫洞返回过去，与它本身相叠加。
这种叠加过程可以在零时间内重复无穷多次，由此产生的自激效应足以在瞬间将时间机器彻底摧毁！这种效应不仅危及索恩等人的“虫洞时间机器”，对其它类型的时间机器也同样具有威胁。
1992年，霍金干脆提出了著名的时序保护假设(Chronology Protection Conjecture)，认为自然定律不会允许建造时间机器。不过迄今为止，这还只是一个假设，而且霍金的论据也不是无懈可击的，对时间机器的理论可行性持乐观看法的物理学家们陆续提出了一些模型来突破霍金对时间机器的封杀。这方面的讨论目前仍在继续。
注释
1、在1892至1895年间，荷兰物理学家洛仑兹(Hendrik Lorentz)等人曾在研究电磁理论时提出过一些有别于绝对时空观的假设，但这些假设并未成为主流，后来则被相对论所取代。
2、这里“为期10年”指的是飞船上的时间。
3、事实上，不仅旅行结束时的你会看到10年前的自己，十年前的你在出发时也会看到10年后凯旋的自己。假如你在出发时什么都没看到，说明旅程中必定会发生意外，使你无法回到旅行的起点。在这种情况下，你或许应该取消旅行！
4、当然，这是指在现有的观测精度内没有发现宇宙的整体旋转。另外，有读者可能会问：什么是宇宙的整体旋转？这种旋转是相对于什么来定义的？这类问题可以视为是跟奥地利哲学家马赫(Ernst Mach)的观点，即旋转必须是相对的，一脉相承。不过，尽管爱因斯坦本人曾经推崇过马赫，但广义相对论事实上并不严格遵循马赫的哲学观点。
5、梯普勒并不是最早研究这一时空的物理学家，早在1937年，荷兰物理学家范斯托克姆(Willem Jacobvan Stockum)就曾研究过这一时空，只不过没有象梯普勒那样对其因果特性进行分析。
6、确切地讲，许多物理学家都得到过类似的结果，霍金的只是其中之一。
7、奇点的严格定义本身就是广义相对论中一个非常棘手的课题，这里叙述的只是某一类奇点的特性，更详细的叙述可参阅拙作从奇点到虫洞的什么是奇点部分。
8、具体地说，让虫洞成为时间机器所需的最简单的运动是那种使虫洞两个出口之间的外部空间距离迅速改变，而虫洞本身的长度却不改变的运动。产生这种运动并不容易，但在原则上是可以做到的。关于“虫洞时间机器”的更详细介绍，可参阅拙作从奇点到虫洞的由虫洞到时间机器部分。
