科幻中时空旅行之物理学历史理论背景分析研究

科幻中时空旅行之物理学历史理论背景分析研究（上）穆蕴秋江晓原（上海交通大学科学史系，200030）摘要：时空旅行作为科幻作品中的一个重要题材，主要表现为三种类型：前往未来，回到过去，和超空间旅行。

本文对科幻作品中时空旅行的相关物理学历史理论背景，进行了探讨。

并得出结论：时空旅行题材的科幻作品之所以能持续出现，是因为它们从相关物理学理论研究的前沿成果中，不断获取创作灵感；物理学对时空旅行的研究，也接纳吸收了科幻作品所带来的启发性思路；关于时空旅行可能与否的争论目前尚无定论，而这正是这个科幻分支得以继续存在下去的主要原因。

关键词：时空旅行，第四维理论，多世界理论，诺维柯夫自洽原则，虫洞，翘曲飞行理论一、绪论：科幻作品中的时空旅行类型时空旅行是科幻作品中的一个重要题材，它主要表现为三种类型：前往未来，回到过去，以及超空间旅行。

前往未来在前往未来的时空旅行类型中，英国人H.G威尔斯1895年创作的《时间机器》(Time Machine)，是最具代表性的作品。

由于该小说颇具思想性的情节，它获得了很高的声誉。

小说叙述了一个简单的故事：一位科学家乘坐自己研制出的时间机器，旅行到了公元802701年的未来世界，那时的世界上存在着两类人种，一类是生活在地上的花园和宫殿里过着舒适安逸生活的―埃洛依‖，另一类是生活在地下的黑暗中辛勤劳作的―莫洛克‖，但科学家无意间的揭秘却让人大为吃惊，―埃洛依‖不过是一群―莫洛克‖豢养起来作为食物的美丽废物而已。

关于《时间机器》，避其原著社会政治层面上的强烈隐喻不谈，单从科幻的角度来看，也有着不容忽视的意义。

首先，尽管在早前的一些神话故事和童话故事中，如中国古代的烂柯山传说[[1]]，或是英国著名童话《爱丽丝漫游奇境记》[[2]]，已经出现了时空旅行的思想雏形，但直到《时间机器》才第一次正面触及了时空旅行的技术手段；其次，小说中的―时间机器‖一直为后来不少科幻作品所反复借用，成为时空旅行的主要工具。

比如，电影《比尔和特德的精彩冒险》(Bill&Ted's Excellent Adventure)中的电话亭，电视系列片《胡博士》(Doctor Who)中那个超正方体，都可看作是时间机器的变种，当然，科幻作品中也还存在其它时空旅行手段，主人公可以通过催眠、睡觉、或特殊信物等方式，去到了另一个时空（见附录）；此外，威尔斯在小说中提出―时间就是第四维‖，这个想法很值得深入探究一番，后文对此将有专门论述。

在《时间机器》之后，出现了蔚为壮观的以时空旅行为题材的科幻作品。

不过，在把时间旅行方向设置为前往未来的科幻作品中，《时间机器》却是一枝独秀——它所有的后来者都不能与其相提并论，而这一类型最终也彻底萎缩。

理由也许正如一些科幻研究者所说的[[3]]，在绝大多数科幻电影中，事情发生的时间预先就已被设置在未来——这已是科幻创作的一条默认定则，剧作者们用不着一定要主人公通过时空旅行才能去到未来，或是让生活在未来的人去到更遥远的未来。

基于H.G威尔斯这部小说所获得的广泛声誉——《时间机器》的同名电影目前为止已经出了三个版本（1960年、1978年、2002年），在它之后，出现了多部借用原著中的时间旅行者或时间机器进行再创作的衍生作品。

典型的是Egon Friedell创作于1972年的小说《时间机器归来》（The Return of the Time Machine），故事中主人公去到不同的时代，寻找原著中那位未能归来的科学家的故事。

而电影《一次又一次》(Time After Time, 1979年,1985年)，则是一个幼稚的故事，主人公偷走了时间机器逃到1979年，威尔斯追寻而至，被当作一个来自乌托邦的大傻瓜。

回到过去1889年，马克·吐温发表小说《康州美国佬在亚瑟王朝》[[4]]，故事讲述主人公昏迷醒来后，发现自己回到了1300年前的亚瑟王朝，成为一个回到过去的时空旅行者。

马克·吐温的这部小说在科幻中的影响远不及《时间机器》，但它的那些把时间方向设置为回到过去的后来者却是后劲十足。

很多优秀的时空旅行作品都来自这一类型。

这种情形的出现，很大程度上归结于回到过去的时空旅行会遇到的一个逻辑难题——时间佯谬。

它最极端的例子就是著名的―（外）祖父佯谬（grandfather paradox）‖[[5]]：假如你对自己的现状非常绝望，但是你又不想自杀，你希望自己从来就没有来过这个世界，你于是选择通过时空旅行回到过去，在你的（外）祖父和你的（外）祖母相遇之前，杀死你的（外）祖父，你父母两人中的某一位就不会出生，你也就不会出生。

可如此一来，就会产生一个逻辑难题：如果没有你的出生，你就不可能回到过去杀死你的（外）祖父，所以，要完成这一任务，你还是得出生——而这正是你不想要的结果。

英国著名幽默杂志《笨拙》（Punch），1923年还曾发表过一首与时间佯谬有关的打油诗[[6]]：一个女孩叫贝瑞，她的速度光难追。

相对论阿是捷径，今日出门昨夜归。

从物理学或哲学角度而言，―今日出门昨夜归‖这样的时间佯谬的确令人棘手，但就科幻创作而言，它却包含着极丰富的故事元素，很多科幻作品都是以此为―料‖创作的，它们的故事情节虽然千差万别，但其实都可以看作是―外祖父佯谬‖的多版本延伸。

如1980年代的电影《终结者》系列、《回到未来》系列就是这一类型的代表作品。

不过，这些都属于回到过去的时空旅行故事的较传统演绎方式。

时空旅行科幻作品中回到过去的类型还有另外两种演绎方式，它们完全避开了时间佯谬的产生：一种直接借鉴于量子理论中的―多宇宙解释‖，另一种则借鉴于后来的―诺维柯夫自洽原则‖。

前者改变历史却不产生佯谬，后者不允许改变历史，自然也就不会产生时间佯谬了。

超空间旅行关于星际旅行的构想雏形，较早可以追溯到开普勒撰写的一本―另类‖的天文学论著《梦》（Kepler’s Dream）[[7]]。

《梦》讲述了一个名叫Duracotus的年轻人跟随其母亲——一名女巫，驼在魔鬼（Demon）身上旅行到月球的故事。

旅途中，博学的魔鬼向他传授了关于月亮的的天文学知识，而Duracotus此前曾师从天文学家第谷·布拉赫学习过五年天文学，这让他完全能领悟这些内容。

开普勒在书中想象，能旅行到月亮的魔鬼们居住在太阳照射下的地球阴影中，当发生月食——且必须是正食的时候，地球的锥形阴影触及月球，魔鬼就可以利用这个阴影作为阶梯到达月亮。

而那些通晓通灵术能和魔鬼们打上交道的巫师——比如像小说主人公Duracotus的母亲，就可以在其引领下去到月亮。

开普勒作为一位天文学家，主要目的不在传达他论著的文学性，而是利用小说的样式，来表明他对哥白尼日心宇宙体系所持的赞同立场，并在该体系下对月亮进行一些探讨[[8]]。

他在小说中很认真地想象月亮上存在―月亮居民‖。

空间旅行在后来的幻想小说里，一直一个非常受关注的题材。

在牛顿时空观下，关于星际旅行的想象主要局限于太阳系内的星体之间——通常是从地球旅行到其他星球。

乔治·威尔斯在《首先登上月球的人们》（The First Men in the Moon 1901)这部小说中，描写一位科学家发明了一种奇异材料——据威尔斯的解释，所有已知的物质对于地球引力都是―可透的‖，即无法阻挡地球引力，但这种奇异材料却是―各种放射能‖都―穿透不过‖的，它具有能隔断地球引力的惊人性能。

因此，这种物质所带来的可能性毫无疑问非比寻常。

小说中那位聪明的剧作家说服了科学家利用这种材料制作了一个球体，两人乘坐这个球体一起旅行到了月球，进行了一番惊心动魄的探险。

在乔治·威尔斯的另一部著名小说《星际之战》（The War of the Worlds 1898)中，攻击地球的火星人由于不能适应地球微生物，在原本攻势如潮的情形下突然全部灭亡。

从浩劫中恢复过来的人类对火星人留下的机械装置进行了考查，很快取得了惊人的成果，最让主人公难以置信的是，―飞行的秘密‖已经被发现了。

尽管威尔斯在小说里没有明言，但―飞行的秘密‖指的无疑是已被火星人掌握的空间飞行技术。

因为，根据主人公无意间的亲眼目睹，火星人在极短的时间就从火星到达了地球。

这一时期的科幻作品中，关于星际旅行最直接的想象来自儒勒·凡尔纳的《从地球到月亮》(From the Earth to the Moon 1865)。

小说讲述美国南北战争后，炮兵团的一群退伍军人在巴尔的摩成立了大炮俱乐部，这群炮弹技术方面的精英分子很快对和平时期的安宁生活感到厌倦，为了安抚他们，俱乐部的主席有了一个大胆的设想，倡议他们设计一枚能用炮弹把人送上月亮的大炮。

凡尔纳在小说中对这枚大炮设计和发射细节的描述令人叹为观止。

爱因斯坦相对论下的时空观，极大地拓展了后来科幻小说家们在空间旅行上的想象力，星际旅行范围从太阳系延伸到银河系甚至河外星系，是从一个行星系统到另外一个行星系统的旅行，这通常被称为超空间旅行（Hyperspace drive or Hyperdrive）。

阿西莫夫对超空间旅行进行了认真的设想，在他著名的《基地系列》（Foundation series）中[[9]]，―跃迁（transition）‖是太空飞船在银河系进行超空间旅行的重要手段。

这个过程中，太空飞船连带里面的人及其他物体会被转化成无质无形的―迅子‖，这是一种―谁也没有侦测到过或见过的东西‖。

超空间旅行在阿西莫夫的小说中是一项人类在那些被―机器人三大法则‖限制的机器人协助下完成的重要成果[[10]]。

阿西莫夫在他的科普著作《寻访人类的太空之友》中，对超空间旅行的现实可能性进行认真的探讨[[11]]。

他指出，即便像科幻小说中那样，假定超空间旅行的能量条件已被解决，但仍然还存在的两个棘手问题。

首先，―迅子‖的速度无论怎么快，根据物理学法则，它的最大速度不能超越光速。

其次，在―跃迁‖时，把物质转变成四处飞散的―迅子‖，到达目的地后再在极短的时间内把其还原成原样，这是一个在技术细节上很难确保的一个步骤。

为了弥补超空间旅行在上述两方面存在的缺陷，一些新的旅行方式此后不断被设想出来。

在著名的科幻小说系列《沙丘》（Dune，1965年）中，超空间旅行被描述成通过复杂的变形技术，空间被被折叠起来，旅行可在一瞬间完成，这个过程完全仰赖计算机复杂的计算，但它却是一项极端危险的行动。

在另外一部科幻系列剧《星门》（Stargate 1994年）中，那扇―星门‖就是进行超空间旅行的通道。

而在《银河系漫游指南》（Hitchhiker's Guide to the Galaxy 1978年）中，作者道格拉斯·亚当斯把空间旅行称为―无限非概率驱动‖，它是一种惊人的新方法，可以在几乎不到一秒钟的时间内穿越星际间广阔的距离，不再需要在超空间中单调乏味地东碰西碰。