穿越时空，物理学研究方向

实现途径

英国著名物理学家斯蒂芬·霍金在英国《每日邮报》上发表文章称，时光之旅在理论上是可行的，人类可以打开回到过去的大门和通向未来的捷径。但是斯蒂芬·霍金又举个例子，说：人可以穿越未来，不可穿越过去！——《和霍金一起走进宇宙世界》

霍金在文章中提出了三种理论上可行的时空旅行方式。

为了实现时光旅行，霍金首先建议人们接纳时间作为第四维的观念。他举了一个非常简单的例子：当人们驾驶汽车时，向前直行和向后倒车是第一维，向左或向右转弯是第二维，在山路上爬坡和下坡是第三维，那么时间就是第四维。我们怎样才能找到在第四维前行或后退的路径呢？

主要原理

“外祖父悖论”常被人拿来论证时间旅行不可能存在，但有些科学家则不这么认为。

2014年6月24日，澳大利亚昆士兰大学的科学家首次使用两个光量子（光子）模拟了量子粒子在时间中的旅行并对其“一举一动”进行了研究，结果表明，至少在量子尺度上，时间旅行是可以实现的。研究发表在最新一期的《自然·通讯》杂志上。

科学家们使用光子（光的单个粒子）来模拟回到过去的量子粒子并对其行为进行了研究。在实验中，他们对一个进行时间旅行的光子可能产生的两种结果进行了考察。第一种结果是：“1号光子”会通过虫洞进入过去并同以前的自己相互作用。第二种结果是：“2号光子”会在正常的时空内行进，但会通过虫洞同一颗卡在时间旅行环—封闭类时曲线（CTC，是物质粒子于时空中的一种世界线，其为“封闭”，亦即会返回起始点）内的光子相互作用。模拟“2号光子”的行为使“1号光子”的行为也能被研究，结果表明，时间旅行在量子尺度上可以实现。

影响因素

光速

一提到光速我就想起了爱因斯坦的公式

这个公式让我兴奋，这个公式带给我们幻想的可能。

但是这个公式又代表着你的速度越大你的质量也越大，例如：当你坐在光速的宇宙飞船里的时候，你在向前去奔跑的时候，你就像是被放慢了1000帧的慢电影一样。所以说光速是个巨大的限制！爱因斯坦说过：不可能有物体超过光速。但是所有人都不知道的是，他加了备注！他所说的是三维速度，而不是四维速度！四维的最小速度是光速，四维速度是正无穷大的！

宇宙中存在着速度限制，即每秒钟18.6万英里(约合30万公里)，亦称光速。任何物体不能超越这一速度。以接近于光速的速度旅行可以将你送达未来世界。

霍金说，如果科学家能够建造速度接近光速的太空船，那么太空船必然不能违反光速是最大速限的法则，导致舱内的时间变慢，这样飞行一个星期就等于是地球上的几年，也就相当于飞进未来。

在人类历史上，速度最快的载人飞船“阿波罗”10号，速度为每小时2.5万英里(约合每小时4万公里)，但要实现在时间中旅行，速度大约是“阿波罗”10号速度的27000倍。

太空飞船里面装载着巨量燃料，不断加速，在一周内，它就可以到达外行星。两年后，它可以达到半光速，飞出太阳系。再两年后它将达到光速的，远离地球约30万亿英里。发射四年后，飞船就会开始穿越未来。飞船上每度过一小时，地球上将度过两小时。再经过两年开足马力的旅行，飞船将达到其最高速，也即光速的。在这种速度中，飞船上的一天，等于地球上的一年。这时，我们的飞船就真正飞入未来了。

英国曼彻斯特大学粒子物理学教授布赖恩·科克斯说：当我们用大型强子对撞机把粒子加速，达到光速的，粒子经历的时间，以我们时间的速率消逝。太空中的数十年，在地球上可能已过去了数万年。

霍金还表示，时间机器只能带人进入未来，不能带人回到过去，因为回到过去违反了基本的因果论。

时间

1895年，英国科幻小说家威尔斯的经典名作《时光机器》问世。此后，在过去与未来之间穿梭就成为了科学家的梦想。俄罗斯学者日前宣称，宇宙间新次元的发现，时光旅行将可成真。大家可以观看英国科幻电视剧《神秘博士》了解时间旅行。

▲黑洞表面时间几近停滞，高速移动即可进入未来

天文物理学家发现，在我们生活的三维空间以外，还有另一个新的次元。这让科学家相信，人类可藉由时光机器的帮助，在地球与黑洞之间来回，到达未来或过去。爱因斯坦曾在广义相对论中，预言重力可以减缓时间流逝，黑洞的重力异常强大，因此在黑洞表面，时间相对于地球来说几近停滞。

如果有一台时光机器能载着人从地球到达一个黑洞的表面，以极高的速度移动，就可以在靠近黑洞之后，不被黑洞的重力吸引而安然返回地球，掉进无限遥远的未来。

但是，美国科学界早已进行过多项相关实验，未有任何显著的成果，有学者指出，人体很难不在黑洞表面撞得粉身碎骨。

▲美国5年内制造超时空引擎，几分钟内可飞抵月球

美国航空航天局一直在人造卫星上试验宇宙飞船使用的离子引擎，并取得初步成功。据《新科学家》报道，美国航空航天学会(AIAA)2005年度“核能和未来航空”项目大奖的论文中描述了一种“超时空引擎”，就是让飞船以极快的速度飞行，从而进入另一个空间。安装了这种引擎的飞船，可以在几分钟内从地球飞抵月球，美国方面称如果进展顺利，5年后便能建造测试模型飞船。

▲学者称宇宙存在六维时空强力磁场，可助力时光穿梭

爱因斯坦提出了所谓的“四维空间”模型。我们所身处的三维宇宙空间也会向第四维(时间轴)弯曲，就好像二维空间的平面向三维空间弯曲，而形成一个球形。把我们所身处的宇宙想象成这样的一颗球，只不过是向时间轴弯曲而不是向Z轴弯曲。我们所处的空间即是球体的最表面，而从表面往球中心点算进去，就是所谓的子空间。事实上，除了利用子空间场外，一些高密度的星体周围的重力场也会将星体压向宇宙中心点(宇宙模型球体中心)。假设从a点到b点距离为1800万公里，飞船的飞行速度为10万公里/秒，那么所用时间就为。假设从A点到B点距离为9000万公里，那么飞船从A点到B点的速度就是。

从结果可以看出，虽然飞船一直以未超越光速的10万公里/秒飞行，但它从A点飞到B点的速度却为50万公里/秒，已经超越了光速。这就是利用时空扭曲和时空跳跃达成的超光速飞行。

“曲速”就是利用强磁场所产生的子空间力场，让光速的物理限制从真实空间移往子空间来计算。过程如图所示分为几个阶段：

第一阶段，飞船在A点起飞并开始加速；

第二阶段，飞船利用强磁场所产生的力场，向子空间跳跃，来到a点；

第三阶段，飞船在子空间飞行，从a点飞抵b点；

第四阶段，飞船取消强磁场，跳跃回正常空间，来到B点。

操作设施

虫洞

虫洞就是五维空间。宇宙万物都会出现小孔或裂缝，这种基本规律同样适用于时间。时间也有细微的裂缝和空隙，比分子、原子还要小的空隙被称作“量子泡沫”，而虫洞就存在于“量子泡沫”中。

人类也许能够捕获某一个虫洞，将它放大到足以使人类甚至宇宙飞船从中穿过，但霍金警告说，不要利用时间机器回到过去，因为这将导致违反基本的因果论。

黑洞

爱因斯坦提出，世上应该存在让时间慢下来的地方，以及让时间加速的地方。时间在地球比在太空运行慢。造成这种影响的原因是地球的质量。爱因斯坦发现，物质会减缓时间运行速度，就像是河的下游一样。物体越重，对时间的阻力越大。这种惊人的事实为通向未来的时间旅行开启了大门。

霍金认为，时空旅行的天然“交通工具”是黑洞。在银河系中心，拥有银河系中最重的天体——一个质量相当于400万个太阳的超大质量黑洞，在自身引力作用下，它被压缩为一个点。距离这个超大质量黑洞越近，遭遇的引力就越强。一旦距离其过近，连光线都无法逃脱，会被吞噬。这样的超大质量黑洞对时间具有显著的影响，令其减缓的速度远远超过银河系中的任何物体。这使得它是台“天然的时间机器”。

霍金想象宇宙飞船能充分利用这种现象。如果某个航天机构正在控制从地球发射的探测器，他们会发现绕轨道运行一圈的时间为16分钟。靠近超大质量黑洞，时间就会慢下来。在这里，引力影响远比地球引力极端。机组人员的时间将会减慢一半。对于原本每圈要耗费的16分钟，他们其实仅经历了8分钟。

在广义相对论中，黑洞的事件视界无法被有限时间线上的任何一个观察者观测，其原因之一在于黑洞的属性，科学家提出了黑洞全息屏理论，虽然观察者无法在外部了解事件视界，但黑洞内部的却可能知道整个宇宙的命运。黑洞全息屏理论的结论看上去非常有趣，我们可以从中得出未来和过去的信息。劳伦斯伯克利国家实验室的恩格尔哈特教授认为黑洞的全息屏从某种意义上看是强引力场的局部边界，如果这是未来的全息屏，那么对应的黑洞，如果这是过去的全息屏，对应的是白洞。

在热力学的角度，时空也被认为是全息图，根据全息原理，其与给定区域内的表面积有关，也可进一步解释为热力学的时间方向。由于过去和将来的全息屏区域在不同的方向增加，因此时间的方向可以对应着两种不同类型的全息屏。

可能的例子

澳洲昆士兰大学的科学家们已经使用单一光(光子)的粒子以模拟量子粒子穿越时间的旅行。他们表示一个光子能够穿越虫洞并和先前的自己互动。他们的发现已发表在Nature Communications期刊中。正是这个实验让广大的科技爱好者觉得穿越时空离我们越来越近了！

我们可以去想象一下，一汪汪清泉通过量子束缚，穿过我们家乡的家家户户，正是这个实验，让我们热血沸腾！

你还可以想象一下，如果有一天，有人敲你家的门，说他是汪**，说你是他的曾曾曾曾祖父，你千万不要关上门，因为这或许是真的！你的家正是这种神奇事情出现的地方！

时光旅行的难题源自于称为”封闭类时曲线”(clod timelike curves,CTC)。CTC用来模拟极度强大的重力场，那些像是由一个旋转的黑洞所造成，而且理论上(基于爱因斯坦的一般相对论)，能够弯曲交错的存有以致于时空能自行再弯曲回来，于是创造了CTC，几乎像是能在时间当中旅行回来的路径。

依据美国科学期刊(Scientific American)，有很多物理学家发现这些CTC “可恶可憎，因为任何宏观下的物体穿越它，肯定会造成因果关系的破坏。”但其他的科学家则不同意这样的论点；物理学家David Deutsch在1991年表示这些反方论述(来自于CTCs)能够在量子尺度中被避开，原因是这些基本粒子的怪异特性构成了我们所称的物质。

众所皆知，在量子尺度下，这些粒子不会遵守古典力学的规则，而是不可能的怪异又难以预期的表现方式。

欢迎来到量子物理的世界，”假如量子力学的运行机制还不足以让你感到震惊，那你应该还没真的了解它。”量子领域的先锋物理学家Niels Bohr曾经这么说道。

“我们选择检验一个可能的现象，绝对不可能以任何典型的方法去解释，而且是在一个具有量子运作机制的核心之下。实际上，它隐含了仅有的奥秘。” – 20世纪诺贝尔奖得主李察费曼Richard Feynman(打结的头脑: 在量子现实下的超感官经验。2006纽约袖珍书)。

在量子世界里，经常会出现我们无法理解的悖论，但是应该不能阻挡严肃追寻科学的人们。即便是爱因斯坦不相信绝大部分的量子理论，但我想今天若他还在世，他肯定会玩得很开心，因为近期所有突破性的想法。

“耐人寻味的是你已经有一般相对论预测的悖论，但在量子力学术语中这些悖论就烟消云散。”-昆士兰大学物理学家Tim Ralph(你可以在这里找到更多信息)

实验

Tim Ralph(上面所提到的) 以及他的博士研究生Martin Ringbauer 模拟了物理学家Deutsch的一个CTCs 模型，根据美国科学期刊Scientific American，”测试并且确认许多已有20年之久的理论。”即使那只是数学模拟，研究者与他们的团队(或同事)强调，他们的数学当量模型是针对穿越CTC旅行的单一光子。实际上并没有传送任何东西回到过去的时间; 要做到那样，科学家们得要找出就我们目前所知已出现的CTC。当然，那样的科学总是存在于隐藏预算(黑预算)下。

物理学家将光粒子传送到过去，证明时间旅行是真的?

思考一下，就 ’祖父悖论’ 而言，一个假设性的场景，有个人用封闭类时曲线(CTCs)做时间旅行去伤害他的祖父，因此防止了其后他(伤害者)的出生。现在想象一个粒子回到过去并启动粒子产生器的开关，然后创造了它(自身)，这些物理学家说他们已透过仿真显示这是有可能发生的。

为什么这可能性很高

我的意见是，毫无疑问的，时间旅行是可行的。我为什么会相信? 好，那是因为我知道在量子的尺度里，迭加原理(物理学原则之一)是真实的。

物理学家将光粒子传送到过去，证明时间旅行是真的?

“令人感到纳闷的部分是，同时间存在于两处的粒子的能力并非单纯抽象的理论。这是次原子粒子的世界如何运作非常真实一个面向，而且已透过多次实验确认过。”(请参阅数据源)

“自然界的最高奥秘之一…，根据量子力学定律主宰次原子的一切，一个如同电子般粒子的存在于模糊状态的可能性(可能在任何地方，所有地方，或无处不在) 直到由实验室的探测器或肉眼所发现。”

这表示一个粒子能够同时存在于多重状态下。最佳证明就是量子双缝实验。近来的实验也确认了量子缠结，实验结果显示，空间，确实仅是赋予分裂幻觉的一种意象。一种说法是，有一个可行性相当高的时间旅行，在这篇文章中与实验中所提及的有所链接，就是实验显示粒子可以真正地穿越时间而缠结在一起。

这样的说法由被称为延迟选择实验所描绘出来。

如同量子双缝实验，延迟选择或量子擦除已经一再的重复被论证过。比方说，澳洲国立大学(ANU)的物理学家已经成功地导出John

Wheeler的延迟选择实验。他们的发现已经发表在自然物理期刊(Nature Physics)。

在2007年，法国科学家们捕捉光子到一座仪器中，并且秀出光子的活动能够回溯一些已经发生过的事情。

这项粒子实验描绘了在现时当下所发生的事情可以改变过去发生过的。它也显示时间是如何得以倒退，因果关联如何反转，以及未来如何的改变过去。

“假如我们尝试着以单一系统的量子状态去客观定义，不寻常的悖论就出现了: 量子效应不只模仿一瞬间的实时动作，而且还看到未来活动在过去事件中的影响，即便是在这些事件过后已不可逆的被记录下来。”-量子讯息理论大师Asher Peres。

虽然我们还完全没办法进出封闭类时曲线(CTC)，但还是有很充分的理由相信这种形式的时间旅行在量子力学层面是可行的，且那也是为什么我选择提到这些实验，以证明 ’时间’ 并不完全真如我们所想的那样存在。

为何这些相同量子力学定律还没有在尚未被理解的宏观层级观察到，但物理学家正在这问题上努力。比方说，物理学家David Wineland与Serge Haroche在2012年因发表了”量子力学怪现像”(quantum weirdness)如何不仅仅存在于微观世界中的次原子而获得诺贝尔物理学奖。曾经有一度，迭加原理只被认为存在于遥远的量子世界，但现在再也不是了。我们知道它是有可能的，只是我们尚未理解。然而，我们似乎快要找到解答。

或许有一天，我们会决心解开这个谜题，并能够观察像是汽车，人类，苹果，还有柳橙这样大的对象在次原子水平上的物质行为模式，而且也许有一天我们会找到虫洞，或一个在太空中的封闭类时曲线CTC，依据理论来进行真正的实验。那就是说，许多被作为在量子物理学中的理论就不再是理论而已，像是量子缠结。

研究理论

外祖母悖论

如果一个人真的“返回过去”，并且在其外祖母怀他母亲之前就杀死了自己的外祖母，那么这个跨时间旅行者本人还会不会存在呢？这个问题很明显，如果没有你的外祖母就没有你的母亲，如果没有你的母亲也就没有你，如果没有你，你怎么“返回过去”，并且在其外祖母怀他母亲之前就杀死了自己的外祖母。这就是“外祖母悖论”。

对于“外祖母悖论”，物理界就产生了平等历史(也叫“平行宇宙”)的说法。

相对论

相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦(AlbertEinstein)创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论的基本假设是光速不变原理，相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。

史蒂芬·霍金写的《时间简史》里认为即使真的超过光速，也不可能真正穿越时空，时间倒流只是一个假象，超光速事件将引起时间和空间一系列量子力学上的反应，最终使得穿越时空无法实现。当然，也有的科学家对此持不同意见，而且穿越时空的办法并不止超光速一种。至于历史的轨迹问题也在《时间简史》中有过详细的论述，同样有好几种不同说法，不过总的来说，历史是以随机性即不确定性为主的，并非一切都固定无误。

马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握。休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。

1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的，光速是不变的。而牛顿的绝对时空观念是错误的。不存在绝对静止的参照物，时间测量也是随参照系不同而不同的。他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。创立了狭义相对论。

狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论，在数学上有各种多维空间，但目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间加一维时间。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思。

相对论中，时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空，能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。在今后论及广义相对论时我们还会看到，时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。

运动物理

物质在相互作用中作永恒的运动，没有不运动的物质，也没有无物质的运动，由于物质是在相互联系，相互作用中运动的，因此，必须在物质的相互关系中描述运动，而不可能孤立的描述运动。也就是说，运动必须有一个参考物，这个参考物就是参考系。

伽利略曾经指出，运动的船与静止的船上的运动不可区分，也就是说，当你在封闭的船舱里，与外界完全隔绝，那么即使你拥有最发达的头脑，最先进的仪器，也无从感知你的船是匀速运动，还是静止。更无从感知速度的大小，因为没有参考。比如，我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态，因为宇宙是封闭的。爱因斯坦将其引用，作为狭义相对论的第一个基本原理：狭义相对性原理。其内容是：惯性系之间完全等价，不可区分。

著名的麦克尔逊-莫雷实验彻底否定了光的以太学说，得出了光与参考系无关的结论。也就是说，无论你站在地上，还是站在飞奔的火车上，测得的光速都是一样的。这就是狭义相对论的第二个基本原理，光速不变原理。

由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式，速度变换式等所有的狭义相对论内容。比如速度变幻，与传统的法则相矛盾，但实践证明是正确的，比如一辆火车速度是10m/s，一个人在车上相对车的速度也是10m/s，地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s，而是左右。在通常情况下，这种相对论效应完全可以忽略，但在接近光速时，这种效应明显增大，比如，火车速度是倍光速，人的速度也是倍光速，那么地面观测者的结论不是倍光速。车上的人看到后面的射来的光也没有变慢，对他来说也是光速。因此，从这个意义上说，光速是不可超越的，因为无论在哪个参考系，光速都是不变的。速度变换已经被粒子物理学的无数实验证明，是无可挑剔的。正因为光的这一独特性质，因此被选为四维时空的唯一标尺。

反光速不变原则、好比自动扶梯，比如我在自动扶梯上跑。自动扶梯上身的速度是10m/s、我跑步的速度是10m/s、而我在楼梯上跑的速度依旧是10m/s。但实际上在自动扶梯上的跑步比在楼梯上的跑步速度是得到提升的。到达终点的时间也会缩短。

再比如说一个运动员在跟另一个运动员跑步，其中一个如果在会向前运动的跑道上跑步另一个在静态的跑道上跑步。那么他们的比赛结果显而易见。运动员自身速度并为受到改变、但是他通过外界的助力将速度以及时间结果得到提升并且缩短。我们在参考速度值的时候是否也能通过外界助力使它得到提升。并非是去改变它的原有值而是去改变结果改变它的实际值。

光速不变原理或许是对的。但是超越光速是肯定存在的、无论是车速、船速、飞行速、光速、那些都只是速度的一种表现形态而非绝对值。所以速度是可以得到提升的。光速也不再会是绝对速度。

惯性理论

根据狭义相对性原理，惯性系是完全等价的，因此，在同一个惯性系中，存在统一的时间，称为同时性，而相对论证明，在不同的惯性系中，却没有统一的同时性，也就是两个事件(时空点)在一个惯性系内同时，在另一个惯性系内就可能不同时，这就是同时的相对性，在惯性系中，同一物理过程的时间进程是完全相同的，如果用同一物理过程来度量时间，就可在整个惯性系中得到统一的时间。在今后的广义相对论中可以知道，非惯性系中，时空是不均匀的，也就是说，在同一非惯性系中，没有统一的时间，因此不能建立统一的同时性。

相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系，发现运动的惯性系时间进度慢，这就是所谓的钟慢效应。可以通俗的理解为，运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了。

尺子的长度就是在一惯性系中同时得到的两个端点的坐标值的差。由于同时的相对性，不同惯性系中测量的长度也不同。相对论证明，在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，这就是所谓的尺缩效应，当速度接近光速时，尺子缩成一个点。

由以上陈述可知，钟慢和尺缩的原理就是时间进度有相对性。也就是说，时间进度与参考系有关。这就从根本上否定了牛顿的绝对时空观，相对论认为，绝对时间是不存在的，然而时间仍是个客观量。比如在下期将讨论的双生子理想实验中，哥哥乘飞船回来后是15岁，弟弟可能已经是45岁了，说明时间是相对的，但哥哥的确是活了15年，弟弟也的确认为自己活了45年，这是与参考系无关的，时间又是绝对的。这说明，不论物体运动状态如何，它本身所经历的时间是一个客观量，是绝对的，这称为固有时。也就是说，无论你以什么形式运动，你都认为你喝咖啡的速度很正常，你的生活规律都没有被打乱，但别人可能看到你喝咖啡用了100年，而从放下杯子到寿终正寝只用了一秒钟。

广义相对

由于惯性系无法定义，爱因斯坦将相对性原理推广到非惯性系。

提出了广义相对论的第一个原理：广义相对性原理。其内容是，所有参考系在描述自然定律时都是等效的。这与狭义相对性原理有很大区别。在不同参考系中，一切物理定律完全等价，没有任何描述上的区别。

第二个原理是光速不变原理：光速在任意参考系内都是不变的。它等效于在四维时空中光的时空点是不动的。当时空是平直的，在三维空间中光以光速直线运动，当时空弯曲时，在三维空间中光沿着弯曲的空间运动。可以说引力可使光线偏折，但不可加速光子。

以上提到光速不变原理、当时空弯曲时，在三维空间中光沿着弯曲的空间运动。可以说引力可使光线偏折。那么既是说明光速是受到引力影响的、是否可以理解成当光速在脱离地球引力时光速的速更绝对更接近光速、所以光速不变原理也将演变成光速可变原理。

第三个原理是最著名的等效原理。质量有两种，惯性质量是用来度量物体惯性大小的，起初由牛顿第二定律定义。引力质量度量物体引力荷的大小，起初由牛顿的万有引力定律定义。

惯性质量联系着惯性力，引力质量与引力相联系。这样，非惯性系与引力之间也建立了联系。那么在引力场中的任意一点都可以引入一个很小的自由降落参考系。伽利略曾认为匀速圆周运动才是惯性运动，匀速直线运动总会闭合为一个圆。这样提出是为了解释行星运动。他自然被牛顿力学批的体无完肤，然而相对论又将它复活了，行星做的的确是惯性运动，只是不是标准的匀速圆周而已。

黎曼几何是一个庞大的几何公理体系，专门用于研究弯曲空间的各种性质。球面几何只是它极小的一个分支。它不仅可用于研究球面，椭圆面，双曲面等二维曲面，还可用于高维弯曲空间的研究。就是说如果一种物质以超光速（300000000m/s一般光速为每秒钟30万千米）行驶的话，就可以实现穿越时空。

时钟佯谬

相对论诞生后，曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题---双生子佯谬。一对双生子A和B，A在地球上，B乘火箭去做星际旅行，经过漫长岁月返回地球。爱因斯坦由相对论断言，二人经历的时间不同，重逢时B将比A年轻。许多人有疑问，认为A看B在运动，B看A也在运动，为什么不能是A比B年轻呢？由于地球可近似为惯性系，B要经历加速与减速过程，是变加速运动参考系，真正讨论起来非常复杂，因此这个爱因斯坦早已讨论清楚的问题被许多人误认为相对论是自相矛盾的理论。如果用时空图和世界线的概念讨论此问题就简便多了，只是要用到许多数学知识和公式。在此只是用语言来描述一种最简单的情形。不过只用语言无法更详细说明细节，有兴趣的请参考一些相对论书籍。我们的结论是，无论在哪个参考系中，B都比A年轻。

为使问题简化，只讨论这种情形，火箭经过极短时间加速到亚光速，飞行一段时间后，用极短时间掉头，又飞行一段时间，用极短时间减速与地球相遇。这样处理的目的是略去加速和减速造成的影响。在地球参考系中很好讨论，火箭始终是动钟，重逢时B比A年轻。在火箭参考系内，地球在匀速过程中是动钟，时间进程比火箭内慢，但最关键的地方是火箭掉头的过程。在掉头过程中，地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周，到达火箭的前方很远的地方。这是一个超光速过程。只是这种超光速与相对论并不矛盾，这种超光速并不能传递任何信息，不是真正意义上的超光速。如果没有这个掉头过程，火箭与地球就不能相遇，由于不同的参考系没有统一的时间，因此无法比较他们的年龄，只有在他们相遇时才可以比较。火箭掉头后，B不能直接接受A的信息，因为信息传递需要时间。B看到的实际过程是在掉头过程中，地球的时间进度猛地加快了。在B看来，A现实比B年轻，接着在掉头时迅速衰老，返航时，A又比自己衰老的慢了。重逢时，自己仍比A年轻。也就是说，相对论不存在逻辑上的矛盾。

弯曲时空

相对论问世，人们看到的结论就是：四维弯曲时空，有限无边宇宙，引力波，引力透镜，大爆炸宇宙学说，以及二十一世纪的主旋律--黑洞等等。

相对论应用的几何学并不是普通的欧几里得几何，而是黎曼几何。黎曼从更高的角度统一了三种几何，三角形内角和不是180度，圆周率也不是3.14等等。当空间存在物质时，物质与时空相互作用，使时空发生了弯曲，这是就要用非欧几何。

相对论预言了引力波的存在，发现了引力场与引力波都是以光速传播的，否定了万有引力定律的超距作用。当光线由恒星发出，遇到大质量天体，光线会重新汇聚，可以观测到被天体挡住的恒星。

宇宙膨胀

不久哈勃发现著名的哈勃定律，提出了宇宙膨胀学说。物理学家们惊奇的发现，宇宙何止是在膨胀，简直是在爆炸。极早期的宇宙分布在极小的尺度内，宇宙学家们需要研究粒子物理的内容来提出更全面的宇宙演化模型，而粒子物理学家需要宇宙学家们的观测结果和理论来丰富和发展粒子物理。这样，物理学中研究最大和最小的两个目前最活跃的分支：粒子物理学和宇宙学竟这样相互结合起来。

观察者理论

此种理论认为，在时空旅行的过程中，你只能是一个观察者，就像电视机前的观众无法和电视机中的演员和场景互动一样，对于过去的人来说，你不存在，你虽然看的到他们，他们却看不到你，而你也无法干涉他们。

或可发生

如果有一名时间旅行者乘坐时光机回到过去并在那里阻止他/她的祖父母见面，那么在未来他自己还能出生吗？

这就是十分著名的“外祖父悖论”，人们常常以此来证明时间旅行的不可能性，然而，有一些科学家却有不同看法。

近日，一个科学家小组利用计算机模拟论证了进行时间旅行的光子行为，结果证明，在量子层面上说，外祖父悖论是可以被解决的。这项研究由澳大利亚昆士兰大学的研究团队进行，有关研究结果发表在《自然·通讯》杂志上。

在这项研究中使用了光子——即光的单个粒子来模拟进行时间旅行的粒子行为。通过对光子行为的研究，科学家们揭开了现代物理中一些怪诞的方面。在模拟中，研究人员考察了进行时间旅行的光子的两种可能结局。科学家们想知道这颗光子与更早之前的“自己”之间会发生什么？

在实验中，科学家们利用一种相互紧密关联的、虚构的情景：即假设一颗光子穿越了正常的时空，并与被困在所谓闭合类时曲线(CTC)的虫洞中的另一颗光子发生相互作用。通过对第二颗光子行为的模拟让他们得以获知第一颗光子的行为——结果显示，只要对第二颗光子进行适当的准备，那么就有可能引导第一颗光子发生相应变化。要想在量子层面上进行操作，你必须尽量选用尽可能微小但却能独自存在的粒子，比如说光子。

然而，宏观意义上的时空旅行却会出现严重的悖论问题。在1991年，科学家首次提出这样的想法，即认为时间旅行可以在量子层面上实现，因为量子粒子的行为是无法用经典物理来进行描述的。参与这项最新研究的主要科学家之一蒂莫西·拉尔夫(TimothyRalph)教授表示：“这种粒子的量子效应难以进行研究，因此这就给了它们足够的空间来回避可能出现的时间旅行悖论。”

这项实验的结果同时也帮助科学家们获得一个更加清晰的认识，即在物理学最大尺度以及最小尺度上分别适用的两大理论体系是如何相互关联的。昆士兰大学的博士研究生马丁·瑞鲍尔(MartinRingbauer)表示：“有关时间旅行的话题正好切中我们当下两种最为成功却相互不能兼容的物理学体系的交界面，那也就是爱因斯坦的相对论以及量子力学。”他说：“爱因斯坦的理论从很大的尺度上描述这个世界——恒星，还有星系。而量子力学则是对最微观世界的绝好描述。爱因斯坦的理论暗示了回溯时间的可能性，理论上一名时间旅行者可以顺着一个时空路径回到同一空间中较早的一个时间点——即所谓闭合类时曲线(CTC)。

自从1949年美籍奥地利科特·哥德尔(KurtGödel)首次提出这一想法以来便一直困扰着物理学家与哲学家们，因为从经典物理的角度来看毫无疑问这将构成一种悖论。其中就包括所谓的“外祖父悖论”，即认为一名时间旅行者可以回到过去并阻止他的祖父母结婚，从而让时间旅行者自己的出生本身成为不可能。这样一来，这名时间旅行者一开始进行时间旅行这件事也就不可能发生了。

然而此次这项最新研究却认为，这样的互动或许是真的可能发生的，尽管只能是在量子层面上。

相关事件

穿越时空，是很多人梦寐以求的一件事情。尽管很多人认为穿越时空根本不可能发生，但历史上曾经发生过20件与穿越时空有关的奇异事件。

1、消失的旅馆

一个被广泛宣传的时间旅行事件，1979十月，Simpsons和Gisbys，两对英国夫妇驾车穿越法国去西班牙度假的路上，他们宣称他们在一个古怪的老式旅馆住了一晚上，在返程路上决定在同一家旅馆休息一下时，却找不到这家旅馆了。

他们住店时拍摄的照片，甚至是洗出照片的底片也不见了。

2、维克多·戈达克爵士飞向未来

1935年，维克多·戈达克爵士，一位英国皇家空军长官正驾乘飞机掠过爱丁堡德勒姆废弃机场外的平原。

在返程经过德勒姆机场时，他往下俯视时被所见之事震惊：机场被完全整修过并投入使用，穿着蓝色工装的机械工四处走动并且四驾黄色飞机停泊在起飞跑到上。

四年之后，1939年，皇家空军才开始将飞机粉刷成黄色，并且维修工人的制服才被更换成了蓝色

3、集体离奇失踪

1999年7月2日，哥伦比亚约有一百多名圣教徒，到阿尔里斯山的山顶去朝拜。谁知这伙教徒上山以后再没有下来，就此失踪了。

此事惊动了哥伦比亚，他们派出了大批警察在阿尔里斯山顶四周寻找，并出动了直升飞机。但找寻了近一个月，这一百多号人还是消失的无影无踪！

4、回到古埃及目睹金字塔的建造

据说前苏联解体后流出了一些机密文件，其中就说到一件事。那是在1971年8月的一天，前苏联飞行员亚历山大斯诺夫驾驶米格21型飞机在做例行飞行时，无意中“闯入”了古埃及。

飞行员来到了一片荒漠中，他看到一座座金字塔巍然矗立，而另一些金字塔才刚刚打下地基或是建造了一半……如果这飞行员没有说谎的话，那么他是不是时空穿梭了呢？

5、有去无回的神秘岛

在肯尼亚北部有一个叫做Envaitenet的神秘小岛，在当地土着人语言中意为有去无回。很多年前，这个小岛上曾经居住过人类。他们依靠捕鱼、打猎，以及与岛外居民交换特产为生。

可是有一段时间，岛上的居民全部都消失了，再也没有出现过。那么岛上居民都去哪里了呢？有人认为这个小岛是一个时空之门，人到这里都被卷入了另一个时空。

6、中国陵墓中时间旅行的证据

2008年12月，中国考古学家们据称在上思县移动一个有400年历史且完好的陵墓的棺材时，当他们清除棺材周围的泥土，他们惊奇的发现了一小块形状像表的金属，时间定格在10:06，背后印有“swiss”字样

如果墓穴四百年来没有被真正人为打搅过，又如何解释这些现代人造制品的存在？唯一的可能就是一名健忘的时空旅行者。

7、费城实验

费城实验是一次海军军事行动，据称由美国海军执行，地点设在费城军舰造船厂，时间在1943年10月28日左右

据宣称，美国海军护卫驱逐舰埃尔德里奇号被转变躲避敌方设备的隐性状态，并从弗吉尼亚州传送至宾夕法尼亚州。

某些报告宣称战舰在10秒后及时传送回来，然后，流行文化更愿意表述为巨大的时间跳跃。

8、消失的英军土兵

1915年12月，一战期间，英国与土耳其的战争中，英军准备进攻土耳其的军事重地加拉波利亚半岛。那天英军很英勇地一个一个爬上山岗，高举旗帜欢呼着登上山顶。

突然间，空中降下了一片云雾覆盖了一百多米长的山顶，在阳光下呈现淡红色，并射出耀眼的光芒，在山下用望远镜观看的指挥官们对此景观也很惊奇。过了片刻，云雾慢慢向空中升起，随即向北飘逝。指挥官们才惊奇地发现，山顶上的英军土兵们全部消失了。

9、时髦的时间旅行

一张1941年期间南福克桥的照片在黄金桥重见天日，加拿大方面宣称将公开一名时间旅行者。

声称他的衣着，体恤图案，太阳眼镜和一台便携录音机非常现代化，并且不是1940年代的潮流。

一年之内，他就成为众所皆知的时间旅行潮流的代名词。

10、来自过去的肇事逃逸的受害者

1950年六月中旬，在纽约时代广场，一名叫鲁道夫·芬茨的男子，穿着19世纪的衣服被车撞倒身亡，享年30岁。

由纽约警方展开的一系列调查显示，这名男子已经在1876年无故消失，当时已经29岁。

他的财产清单包括：一杯啤酒的铜牌；一张饲养马匹的账单以及一箱的换洗衣服；一张1876年的信件；70美元和信用卡片；没有任何时代特征显示这名男子是直接从1876年穿越到1950年的。

11、莫斯科地铁里的奇怪壁画

壁画描述的是1920年俄国革命，但是出现在列宁前面的那个人是在干什么？看上去像在使用手机。或许这只是一个普通的无线电装置？

12、古埃及神庙挖出现代银币

1994年一个由法国考古学家组成的考古工作队，来到尼罗河畔最早出现人类活动的地区进行科学考察。他们发现了一座太阳神庙废墟，距今已有4000年的历史。

当考古学家在对废墟进行发掘时，在一块巨大古老的石碑下，发现了一枚深埋在地下的银币。奇怪的是，这不是一枚古埃及银币，而是一枚25美分的美国现代银币。

更奇怪的是银币上写着1997年，也就是说这本应该是美国1997年才会发行的！那么美国的现代银币，为何会“跑到”4000年前的古埃及神庙中呢？于是有人大胆猜测是现代人时空旅行到了4000年前！

13、19世纪初的光盘事件

一张来自1800年代的油画展示了一名男子手拿一张看起来像是高级CD盒子的东西

一幅19世纪初的画作展示了一个人手中拿着一本类似CD盒的书。

最早的胶片样式CD直到1800年代中期才发明，并且显然压缩CD直到1980年代才开始使用。最初形式的塑料直到19世纪中期才被发明出来，而光盘明显直到20世纪80年代才开始应用。

14、1962年世界杯上的拍照手机

1962年世界杯在智利的决赛后，巴西王牌加林查举起世界杯冠军，而在他前面似乎有人在用智能手机拍照。

15、南极上空的“时间之门”

1995年1月27日，美国物理学家发现，南极洲上空出现不断旋转的灰白色烟雾。最初，他们认为这些只是普通的天气现象，但研究人员还是发射了一个气象气球去探测。

令人奇怪的是当研究人员回收气球后发现这个气球的计时器显示的时间是1965年1月27。后来的一段时间，研究人员又发射了几次，但每次计时器的时间都会倒退30年。至今也没人能解释这是为什么。

16、美国飞行员进入中世纪

1986年，一位美国飞行员驾驶SR71型高空侦察机飞越佛罗里达州中心城区时，突破遭遇时空屏障，来到了欧洲中世纪的上空。

这名飞行员后来报告说，飞机掠过树梢，可以感受到一阵阵巨大热浪，成堆的尸体令人触目惊心，原来是在烧尸体！专家们调查后指出：这位空军飞行员看到的是欧洲历史上发生着名的黑死病的情景。

17、20分钟去哪儿了

1994年初，一架意大利客机在非洲东海岸上空突然从雷达上消失了。20多分钟后才从回雷达，但到达机场时，每个乘客的手表都慢了20分钟！

18、埃及古墓时刻上的直升机和潜水艇

1848年，一名考古探险家在埃及古城阿比杜斯的塞蒂神庙入口，发现了一些奇怪的图像，当时没有人知道那些象形图画描绘的是什么东西。

直到150多年后，考古学家才震惊地发现，那些3000年前的古埃图像，竟然是直升机和潜水艇的模型！这究竟是巧合还是早有预知呢？

逻辑疑问

十多年前，霍金曾经问过这样一个问题：假如时间旅行是可能的，为什么在我们周围至今尚未充斥着来自未来世界的时间旅行者呢？这个问题的潜台词是：时间旅行者没有来到我们周围，最有可能的原因是时间旅行在整个时间长河中——也就是永远——都没有实现过。当然，霍金并没有把这样的问题当作是对时间机器的一个认真的理论诘难。不过，他的这个问题还是引起了一些物理学家的思考，并且他们找到了一种可能的回答：即我们目前所知的有可能实现时间旅行的理论模型，有一个很可能具有普适性的共同特点，那就是不允许时间旅行者回到时间机器存在之前的年代。因此，假如公元2500年有人建造出了时间机器，那么时间旅行者只能访问公元2500年之后的年代，他们永远无法来到我们周围，更无法像一些科幻小说描绘的那样，回到史前时代去捕捉恐龙——那些历史已经或将要无可挽回地被时间长河所吞没，就像美国物理学家格林(BrianGreene)所说的：在时间机器建造成功之前的每一个年代，都将成为我们以及我们的子孙后代永远无法触及的历史。

从这个意义上讲，如果时间旅行是可能的话，早一天建造出时间机器就是多拯救一天历史。

对于这个问题，理论物理学家加来道雄则认为，蚂蚁和现代人之间的距离就像现代人和可以操控普朗克能量的文明之间的距离一样（普朗克能量是探测非常小的距离以及操控时间机器所需要的能量，远大于我们目前可操控的能量）。因此，时间旅行者即使真的存在，也并不一定会主动接触现代人。