时间旅行长期以来一直被认为是不可能的，部分原因是臭名昭著的“祖父悖论”。这个难题提出，如果有人回到过去并阻止他们的祖父生孩子，从而抹去旅行者的存在，会发生什么。然而，一项新的研究可能已经解决了这个问题。
通过结合广义相对论、量子力学和热力学，该研究表明时间旅行可能是可行的，而不会导致这些逻辑矛盾。
时间循环的物理原理
我们对时间的日常理解植根于牛顿物理学，其中事件从过去到未来线性进展。但爱因斯坦的一般理论于 1915 年完成，挑战了这一直观假设。它揭示了时空结构的行为方式可能违背常识，黑洞等现象就证明了这一点。它最令人着迷的预测之一是闭合类时曲线的潜在存在——穿过时空的路径会自行循环，理论上允许旅行者重温过去。
“在广义相对论中，所有形式的能量和动量都是引力源——而不仅仅是质量，”研究作者洛伦佐·加瓦西诺范德比尔特大学的物理学家通过电子邮件告诉《生活科学》。 “这意味着，如果物质在旋转，它可以‘拖动’时空。虽然这种效应对行星和恒星来说可以忽略不计，但如果整个宇宙都在旋转呢？”
在所有物质都旋转的宇宙中，时空可能会变得如此扭曲，以至于时间实际上会向自身弯曲，形成一个循环。理论上，沿着这样一个环行进的宇宙飞船可以返回到它的起点，不仅在空间上，而且在时间上。虽然我们的宇宙作为一个整体似乎并不是以这种方式旋转，但旋转的质量（例如黑洞）可以产生类似的效果，为闭合类时曲线创造潜在的环境。
时间旅行的悖论
时间旅行面临的最大挑战之一在于它所产生的悖论。祖父悖论只是一个例子。这些问题的出现是因为我们假设法律，控制热量和能量的定律，将在时间循环上正常发挥作用。
“实际上，加瓦西诺说：“衡量系统无序程度的热力学量是区分过去和未来的唯一物理定律。据我们所知，熵是我们记住过去事件而无法预测未来事件的唯一原因。”
熵控制着我们的许多日常经历，从我们的身体衰老方式到我们处理记忆的方式。即使是简单的动作，比如走路，也依赖于摩擦力，而摩擦力本身就会增加熵。那么这些进程在时间循环上会如何表现呢？
悖论的量子解决方案
Gavassino 的研究发表于 2024 年 12 月 12 日的期刊上经典和量子引力，提供了一个有趣的解决方案。从中汲取灵感工作在物理学家卡洛·罗维利 (Carlo Rovelli) 的研究中，他证明了热力学行为在封闭的类时曲线上发生了根本性的变化。在这样的循环中，量子涨落的出现可以消除熵——这个过程与我们在日常生活中经历的过程根本不同。
这些波动可能会对时间旅行者产生巨大的影响。例如，随着熵的减少，一个人的记忆可能会消失，衰老也会逆转。 “熵增加是我们死亡的原因。当你反转死亡时会发生什么？”加瓦西诺问道。这种现象甚至可能使不可逆转的事件（例如杀死祖父）在时间循环中暂时消失，从而完全消除悖论。
“过去大多数物理学家和哲学家都认为，如果时间旅行存在，大自然总会找到一种方法来防止矛盾的情况，”加瓦西诺说。 “引入了‘自洽原则’，表明一切都应该对齐以创建一个逻辑上连贯的故事。我的工作首次直接从已建立的物理学中严格推导了这种自洽原则。具体来说，我应用了量子力学的标准框架——没有额外的假设或有争议的假设——并证明历史的自洽自然地遵循量子定律。”
理论和实践意义
虽然加瓦西诺的发现为时间旅行提供了令人信服的理论框架，但问题仍然存在：封闭的类时曲线是否真的存在于真实的宇宙中？大多数物理学家对此表示怀疑。例如，1992 年，史蒂芬·霍金 (Stephen Hawking) 发表了著名的建议的“年代学保护猜想”，表明物理定律可能从一开始就阻止时间循环的形成。这可能涉及时空在环路建立之前变得奇异或破裂。
尽管如此，加瓦西诺的工作对于突破我们的理解界限仍然很有价值。
加瓦西诺说：“我发现这个话题有趣的是它迫使我们思考熵在产生我们的宇宙经验中的作用，这可能是我在所有物理学中最喜欢的话题。”
即使时间循环不存在，理解它们并对其建模也可以提供对真实现象的见解。例如，探索真实的熵如何在亚原子尺度上沿着闭合轨迹演化和行为，可以产生对亚原子系统的行为及其热力学的有趣见解。
编者注：本文于美国东部时间 1 月 9 日星期四上午 10:15 更新，以更正其中一条引述的出处。加瓦西诺，而不是史蒂芬·霍金，评论了熵在构建我们的宇宙经验中的作用。
