今天我们将跟随几位顶尖物理学家的思想实验，去探索一个更为惊人的事实：时间旅行，或许真的被物理定律所允许，而宇宙本身，拥有一套防止逻辑混乱的终极“防火墙”。准备好了吗？让我们一起推开这扇疯狂而又严谨的时空之门。

索恩的时空任意门

今天我们来讲时间旅行。

你可能会觉得这是一个已经被讲烂的话题，说来说去就那么点儿东西。不是的，在科幻作品中的时间旅行，确实是翻来覆去就讲那么点东西，核心概念都大同小异，一个祖母悖论可以被翻着花样讲无数遍。但是，从纯科学的角度严肃探讨时间旅行的内容其实并不多。

我们一点一点深入下去。

第一个大问题是，在人类现有的理论物理框架下，是否存在时间旅行的可能性呢？这个问题的答案是肯定的，可能性确实是存在的，第一个完成时间旅行的完整理论框架的科学家就是基普·索恩。而他的理论模型就是借助虫洞来完成的。

我们先来完整了解一下，索恩的时间机器的工作原理到底是什么。

首先，你需要一个由超级文明制造好的、稳定可穿越的虫洞。从更高维的视角来看，虫洞的样子是一个时空隧道。但是从我们的三维空间去看虫洞，我们只能看到虫洞两端在三维空间中的投影。也就是说，我们看到的其实是两个分离的水晶球。下面为了叙述的方便，我把这两个水晶球一个称为洞口 A，一个称为洞口 B。

任何时刻，我们都可以从洞口 A 进去，瞬间从洞口 B 出来，就像穿过一扇任意门一样。注意，此时的洞口 A 和洞口 B，它们始终处在同一个参考系中，你也可以想象有一条绳子穿过洞口 A、B，不论两个洞口分离的多远，这根绳子始终不会断。

现在，我们将洞口 B 装上一艘接近光速的飞船，让它出发进行一次星际旅行，而洞口 A 则留在原地。

接下来，爱因斯坦的相对论就要开始施展它那不可思议的“时间魔法”了。根据狭义相对论，高速运动的物体，时间流逝会变慢。当这艘飞船载着洞口 B 在宇宙中以光速的 99.5% 绕着地球飞行 1 年后返回地球，这时候，对于飞船和洞口 B 来说，时间只过去了 1 年。但对于地球和地球上的洞口 A 来说，已经过去了大约 10 年。这两个洞口之间，凭空出现了一个固定的 9 年的时间差。

这时候，神奇的一幕发生了，此时的洞口 A 和洞口 B 就成了一个可以穿梭时间的任意门。如果我们从飞船上的洞口 B 张望，看到的将是 9 年后地球的模样，而从地球上的洞口 A 张望，看到的将是 9 年前飞船上的模样。

这意味着什么呢？假如一个人从洞口 A 走入，就会瞬间从洞口 B 走出，来到 9 年前的世界。而一个人如果从洞口 B 走进去，就会从洞口 A 走出来，来到 9 年后的世界。一台名副其实的时间机器，就这样诞生了。

时间旅行的规则与限制

而且，不知道你注意到没，这种虫洞时间机器有几个非常有意思的细节：

第一，当一个人从洞口 B 走入，从洞口 A 走出来到 9 年后的世界。因为这时候两个虫洞都还在地球上，所以，他可以再次来到洞口 A，然后走进去，从洞口 B 走出，就又向前穿越了 9 年。就这样，可以通过反复穿越的方式，以 9 年为一个单位在时间中旅行。

当然，请记住这里的 9 年只是我们在制造时间机器时做的一个设定，你也可以让这个时间差为 1 年或者 100 年都行，但一旦初始设定完成了，时间机器的时间差也就固定了。它就像一趟只有固定站点的时空地铁，你从“3001 年”这一站上车，它只会把你带到“3010 年”这一站下车，中间不停站。除非再次让其中一个虫洞去做亚光速飞行，调整时间差。这是向未来旅行的情况，但是回到过去的情况有所不同。

第二，当一个人从洞口 A 往 9 年前穿越，从洞口 B 出来后，注意，这时候的洞口 A 也已经回到了 9 年前，也就是说，那时候两个虫洞口时间差并不存在。换句话说，回到过去只能穿越一次，它有时间的“起点”限制。你无法回到任意久远的过去，你能回到的最早的时刻，就是这台时间机器被“启动”的那个时刻——也就是洞口 B 开始星际旅行，两个洞口开始产生时间差的那一刻。在那之前，虫洞两端的时间是同步的，所以你穿越虫洞，也只是空间旅行，而非时间旅行。

讲到这里，可能让你稍微感到一点失望，即便按照现在最大胆的科学理论，想回到恐龙时代，也是不可能了。但不管怎么说，索恩的理论告诉我们，只要虫洞这个前提是成立的，那时间旅行在理论上就是成立的。

悖论的挑战与宇宙的自洽

现在，我想请你诚实地回答我，你是否听懂了？如果你仔细琢磨这个思想实验后，脑子越琢磨越混乱，忽而想通忽而想不通，好多事情都觉得非常的怪异，这很正常。因为大多数人，哪怕是物理学家，也都会有这种感觉。实际上，基普·索恩自己也是琢磨了三年才完全想明白。

因为早在论文发表的三年前，也就是 1985 年就已经有了这个想法，起因是他的老朋友卡尔·萨根写了一篇科幻小说《接触》，里面有一段时间旅行的情节。索恩在阅读了小说之后，觉得卡尔·萨根用黑洞让主角做时间旅行，在科学原理上站不住脚，他觉得用虫洞或许可以。在这之后的三年中，索恩从来就没有停止过计算，直到他觉得自己的时间机器理论从一个疯狂的想象成为一个可以自洽的、有严格数学形式的科学理论，他才小心翼翼地投给了《物理学评论通讯》杂志，经过了同行的匿名评审，杂志接受了论文，最终在 1988 年秋天发表。

论文发表后，在学术圈子里面引起了很多的反响，索恩说那段时间来自同行的信件一封一封的飞来，有提问题的，有挑战他的。首当其冲的一个问题就是著名的祖母悖论问题怎么解决。就是说假如一个人回到过去杀死了自己的祖母，或者简化为杀死了自己，怎么还能有未来的自己回到过去呢？那不是产生逻辑矛盾了吗？

索恩认为，祖母悖论问题实际上是另外一个问题，即一个人是否具备自由意志的问题。作为一个人，我们是否有决定自己命运的能力？回到过去后，我们是否还能支配自己的意志，做出和过去的自己不同的选择呢？在这个问题上，索恩和他的学生纠结了很久，他们认为这个问题即便没有时间机器，也是一个可以令物理学家们手足无措的问题，因为他又牵扯出了宇宙决定论问题，显然是暂时无解的。因此，索恩的决定是，在论文中完全回避祖母悖论，坚持不在论文中讨论人类穿越虫洞的事情，他们只谈一种简单的非生命的时间旅行，例如电磁波的时间旅行。

讲到这里插句题外话，在我的科幻小说《哪》中，我也是为了回避祖母悖论问题，刻意回避了任何实体的穿越，我也只设想了信息在时空中的穿越，这就会让小说在科学层面显得比较过硬。

但是，好景不长，一位物理学教授设计了一个思想实验，在这个实验中不需要生命的参与，但依然产生了祖母悖论。当索恩收到这封来信时，我相信他的内心是有些崩溃的。

这个思想实验说起来很简单，但真的很巧妙。这位教授说，假如有一个台球，穿过虫洞口 B 进入，然后从虫洞口 A 飞出，穿越回过去，恰好击中了正在飞向虫洞口 B 的台球。简单来说，就是一个台球把过去的自己给击飞了，那又如何能有自己穿越虫洞回到过去呢？

在这个思想实验中，完全不需要自由意志的参与，就是纯粹的物理学推演。这个问题把索恩他们难住了。这里要说明一点，这位教授不仅仅是描述了这个思想实验的过程，还在假设索恩的时间机器理论成立的前提下，给出了严格的数学推导，这就叫以彼之道还施彼身。

索恩带着自己的学生满头大汗地迎战这个难题，令他们自己都没想到的，剧情居然出现了巨大的反转，他们得到了一个惊喜的结论。

他们用到的工具是量子力学。按照量子力学的观点，当发射器准备发射台球时，这颗台球拥有无数条可以飞向虫洞入口 B 的“潜在路径”。与此同时，从出口 A 飞出来的那颗“过去”的台球，也拥有无数条“潜在路径”。

那条最经典的、会导致悖论的路径——也就是台球笔直地飞进去，然后又笔直地飞出来撞上自己——它的因果链条是断裂的，是自我矛盾的。利用物理学家费曼发明的路径积分的方法，这种自我矛盾的路径，它们的概率幅会相互干涉相消，最终导致这条路径的总概率为零。

这段解释比较高能，你可能不能完全听懂，没关系。总之，结论就是，宇宙，在最根本的量子层面上，会自动地“屏蔽”掉所有会导致逻辑悖论的可能性。

而且，还有更加惊喜的一个发现。索恩的两个学生证明，从那位教授给定的条件出发，还存在另外两条不同于那位教授计算结果的台球轨迹，而这两条新的台球轨迹居然可以神奇地自洽，也就是说，台球确实可以回到过去击中自己，但问题是，被击中后的台球依然换了一个角度飞进虫洞口 A，从虫洞口 B 出来后与之前的自己形成了一个自洽的闭环。连索恩自己都大吃一惊，这个台球悖论居然被他们神奇地解决了。甚至，他们还参照量子力学中费曼提出的路径积分算法，计算出了台球走那两条不同路径的概率分别是多少。

这是一个完美的、自洽的、首尾相连的因果循环！在这个故事版本里，没有任何逻辑矛盾。台球确实进入了虫洞，确实从过去冒了出来，也确实撞到了自己。而它撞击自己这件事，恰恰是导致它走上这条“被撞击后”的道路的原因。

这，就是基普·索恩所信奉的，对时间悖论最深刻的解答：物理定律，在最根本的层面上，就禁止悖论的发生。

但这种禁止，并非通过霍金提出的那种简单粗暴的“时序保护法则”来阻止时间旅行，而是通过量子力学的概率魔法，自动地筛选掉所有不自洽的“剧本”，只留下那些逻辑上可以自圆其说的故事。

最早提出这个思想的人是俄罗斯著名物理学家伊戈尔·德米特里耶维奇·诺维科夫在 1980 年代提出的，被称为“诺维科夫自洽性原则”。简单来说，它的意思是：如果时间旅行是可能的，那么物理定律会自动地阻止任何能够改变过去、从而产生逻辑悖论的事件发生。

用更通俗的话讲就是：你无法改变历史，因为你本身就是历史的一部分。

这个思想，也正是电影《星际穿越》的灵魂。库珀回到过去成为“幽灵”，并非改变历史，而是完成历史。他所做的一切，都早已是那个宏大因果闭环中，不可或缺的一环。这，就是“诺维科夫自洽性原则”，或者说逻辑自洽的时间旅行最浪漫、最震撼人心的一次银幕呈现。怎么样，《星际穿越》的剧本还是很有两把刷子的吧？

未完的征程：黑洞与熵

讲到这里，关于电影《星际穿越》的内容就全部结束了。通过这部影史上的经典科幻电影，我们将黑洞的经典物理图像，以及由它引发的时空奇景，都一一探索完毕。我们跟随着库珀，体验了极端的时间膨胀，窥探了环状奇点的内部奥秘，也穿越了连接时空的虫洞，并最终在量子力学的框架下，窥见了因果律自我守护的终极奥秘。

但是，关于黑洞的故事，那还远远没有结束呢。

让我们再次回到 1972 年那个炎热的夏天，在普林斯顿大学的一间讨论室里，一场改变黑洞物理学历史的对话，正在悄然发生。

一位名叫雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）的年轻研究生，刚刚向“黑洞”“虫洞”这些词汇的命名者，也是基普索恩的老师，我们的老熟人约翰·惠勒，提出了一个石破天惊的想法。

贝肯斯坦的困惑，源自一个看似简单的问题：当你把一杯热咖啡倒进黑洞时，这杯咖啡的“熵”去哪儿了？

“熵”，是物理学中最基本，也最令人头疼的概念之一。你可以简单地把它理解为一种“混乱度”。一杯滚烫的、分子正在剧烈运动的咖啡，它的熵，要比一杯冰冷的、分子运动缓慢的咖啡高得多。而热力学第二定律，是整个物理学大厦的基石之一，它庄严地宣告：在一个封闭的系统里，总的熵，永远只会增加，绝不会减少。宇宙的总混乱度，是与日俱增的。比如说，如果我们把一杯热咖啡倒入一个完全封闭的水缸中，假设不与外界交换任何热量，那这缸水的总熵是会增加的。

可黑洞，似乎是一个公然的“违法者”。当你把那杯高熵的热咖啡倒进去，它的所有信息和混乱度，似乎都在事件视界上被一笔勾销，彻底消失了。宇宙的总熵，似乎减少了！这，是对物理学家根本信念的致命挑战。

面前只有两个选择，要么选择热力学第二定律并不存在，要么选择黑洞没有消灭“熵”。而贝肯斯坦选择了后者，他猜测：热咖啡的熵，没有消失，它被黑洞“吸收”了。他说，你们看，每当有东西掉进黑洞，黑洞的事件视界的面积，也总是增加的。会不会，黑洞的事件视界面积，本身就是它熵的一种度量呢？

可能你没有完全听懂贝肯斯坦的想法，我来做一个更简单通俗的翻译。过去物理学家们都相信，黑洞就是这个宇宙中结构和成分最最简单的天体，它只需要质量、是否带电、是否旋转三个物理量就足以描述，所有的黑洞，从它们的混乱程度，或者说携带的信息量来说，那都是一样的。就好像一个只有三个开关的存储器，它充其量只能存 3 比特信息。

但是，贝肯斯坦大胆地猜测说，不对，黑洞也有可能存更多的信息，它没我们想的那么简单。

这个想法，在当时，听起来就像是天方夜谭。而在遥远的英国剑桥大学，当斯蒂芬·霍金听到这个理论时，他的第一反应是：“这简直是胡说八道！”

霍金的反驳，简单而致命：如果黑洞有熵，根据热力学定律，那它就必须有温度。而宇宙中任何有温度的物体，都必然会向外辐射能量，就像一块烧红的铁块，会发光发热一样。

“可黑洞是黑的！”霍金在心里呐喊，“它的定义就是‘光都无法逃脱’，一个只进不出的终极监狱，怎么可能会向外辐射东西？”

为了彻底证明贝肯斯坦是错的，霍金决定，用他最擅长的武器，也就是将量子力学应用到广义相对论中，然后计算一下，基本粒子在事件视界边缘，到底会发生什么。他相信，他的计算，将会给贝肯斯坦这个荒谬的想法，钉上最后一颗棺材钉。

然而，吊诡的是， 当霍金在轮椅上，夜以继日地完成那些繁复的计算，最终得到那个结果时，他被自己笔下的方程，惊得目瞪口呆。

方程清晰地显示：黑洞，确实在向外辐射。

它不仅有温度，而且它真的在发光，在“蒸发”，在缓慢地走向死亡。

霍金，这位黑洞理论的“捍卫者”，亲手推翻了自己曾经坚信的一切。

一个连光都无法逃脱的地方，究竟是如何向外辐射粒子的？那个只进不出的时空监狱，它的墙壁上，难道存在着我们无法想象的“裂缝”吗？

这个问题，开启了理论物理学下一个更加波澜壮阔的时代。而它的答案，将彻底颠覆我们对黑洞，乃至对整个宇宙的认知。

科学有故事，我们下期接着聊。