時間旅行長期以來一直被認為是不可能的，部分原因是臭名昭著的“祖父悖論”。這個難題提出，如果有人回到過去並阻止他們的祖父生孩子，從而抹去旅行者的存在，會發生什麼。然而，一項新的研究可能已經解決了這個問題。
通過結合廣義相對論、量子力學和熱力學，該研究表明時間旅行可能是可行的，而不會導致這些邏輯矛盾。
時間循環的物理原理
我們對時間的日常理解植根於牛頓物理學，其中事件從過去到未來線性進展。但愛因斯坦的一般理論於 1915 年完成，挑戰了這一直觀假設。它揭示了時空結構的行為方式可能違背常識，黑洞等現象就證明了這一點。它最令人著迷的預測之一是閉合類時曲線的潛在存在——穿過時空的路徑會自行循環，理論上允許旅行者重溫過去。
“在廣義相對論中，所有形式的能量和動量都是引力源——而不僅僅是質量，”研究作者洛倫佐·加瓦西諾范德比爾特大學的物理學家通過電子郵件告訴《生活科學》。 “這意味著，如果物質在旋轉，它可以‘拖動’時空。雖然這種效應對行星和恆星來說可以忽略不計，但如果整個宇宙都在旋轉呢？”
在所有物質都旋轉的宇宙中，時空可能會變得如此扭曲，以至於時間實際上會向自身彎曲，形成一個循環。理論上，沿著這樣一個環行進的宇宙飛船可以返回到它的起點，不僅在空間上，而且在時間上。雖然我們的宇宙作為一個整體似乎並不是以這種方式旋轉，但旋轉的質量（例如黑洞）可以產生類似的效果，為閉合類時曲線創造潛在的環境。
時間旅行的悖論
時間旅行面臨的最大挑戰之一在於它所產生的悖論。祖父悖論只是一個例子。這些問題的出現是因為我們假設法律，控制熱量和能量的定律，將在時間循環上正常發揮作用。
“實際上，加瓦西諾說：“衡量系統無序程度的熱力學量是區分過去和未來的唯一物理定律。據我們所知，熵是我們記住過去事件而無法預測未來事件的唯一原因。”
熵控制著我們的許多日常經歷，從我們的身體衰老方式到我們處理記憶的方式。即使是簡單的動作，比如走路，也依賴於摩擦力，而摩擦力本身就會增加熵。那麼這些進程在時間循環上會如何表現呢？
悖論的量子解決方案
Gavassino 的研究發表於 2024 年 12 月 12 日的期刊上經典和量子引力，提供了一個有趣的解決方案。從中汲取靈感工作在物理學家卡洛·羅維利 (Carlo Rovelli) 的研究中，他證明了熱力學行為在封閉的類時曲線上發生了根本性的變化。在這樣的循環中，量子漲落的出現可以消除熵——這個過程與我們在日常生活中經歷的過程根本不同。
這些波動可能會對時間旅行者產生巨大的影響。例如，隨著熵的減少，一個人的記憶可能會消失，衰老也會逆轉。 “熵增加是我們死亡的原因。當你反轉死亡時會發生什麼？”加瓦西諾問道。這種現象甚至可能使不可逆轉的事件（例如殺死祖父）在時間循環中暫時消失，從而完全消除悖論。
“過去大多數物理學家和哲學家都認為，如果時間旅行存在，大自然總會找到一種方法來防止矛盾的情況，”加瓦西諾說。 “引入了‘自洽原則’，表明一切都應該對齊以創建一個邏輯上連貫的故事。我的工作首次直接從已建立的物理學中嚴格推導了這種自洽原則。具體來說，我應用了量子力學的標準框架——沒有額外的假設或有爭議的假設——並證明歷史的自洽自然地遵循量子定律。”
理論和實踐意義
雖然加瓦西諾的發現為時間旅行提供了令人信服的理論框架，但問題仍然存在：封閉的類時曲線是否真的存在於真實的宇宙中？大多數物理學家對此表示懷疑。例如，1992 年，史蒂芬·霍金 (Stephen Hawking) 發表了著名的建議的“年代學保護猜想”，表明物理定律可能從一開始就阻止時間循環的形成。這可能涉及時空在環路建立之前變得奇異或破裂。
儘管如此，加瓦西諾的工作對於突破我們的理解界限仍然很有價值。
加瓦西諾說：“我發現這個話題有趣的是它迫使我們思考熵在產生我們的宇宙經驗中的作用，這可能是我在所有物理學中最喜歡的話題。”
即使時間循環不存在，理解它們並對其建模也可以提供對真實現象的見解。例如，探索真實的熵如何在亞原子尺度上沿著閉合軌跡演化和行為，可以產生對亞原子系統的行為及其熱力學的有趣見解。
編者註：本文於美國東部時間 1 月 9 日星期四上午 10:15 更新，以更正其中一條引述的出處。加瓦西諾，而不是史蒂芬·霍金，評論了熵在構建我們的宇宙經驗中的作用。
