人類可能進行時間旅行嗎？

時間旅行一直是許多的科幻小說，故事，電影的熱門題材，也常被一些科學大師們所介紹。
每個人都會對時間旅行好奇：能回到過去又轉回來多好啊！你可以回頭重新做一生中的最重要的選擇，也可反轉你以前最後悔的事，當然也能輕易發大財--比如20年前買套北京的房子，買一萬塊錢的蘋果或亞馬遜的股票，今天絕對是千萬身價了！
遺憾的是,時間旅行隻能往前走，不能往回走--至少在宏觀世界中是這樣。時間不能往回走受的是是科學及現實的因果律所限定。一旦因果關係被破壞，一種現實上的孛論往往會出現。比如有人時間旅行到幾十年前，在其母親懷孕他之前把母親親手害死，結果造成他就不可能出生於世。既然他不存在，害死母親的事件也不可能會發生，這樣形成了一個因果關係互相矛盾，無法與現實相容了。
時間往前旅行則是可能的，比如宇航員到國際空間站生活，他們相對地球的人高速運動，所以他們的時間變慢了，幾個月後他們回到地球，人會年輕了幾個毫秒。當然，這點時間差別人體是無法感知的，年輕了幾個毫秒也毫無現實的意義。
如果要體驗到非常顯著和令人向往的時間旅行，就必須有更高速的，甚至接近光速的飛船，目前人類的科技離這還太遙遠。
本文打算進行一些理論上的探討，至於科技和工程上的實現，一萬年後大概希望也很小，就算留給一億年後或更遠將來的人類去傷腦筋吧--如果那時人類還沒有毀滅的話。嘿嘿！
根據愛因斯坦的狹義相對論，當兩個物體相對高速運動時，對方時間會變慢。假定從地球發射一個宇宙飛船，以接近光速飛向另一個星球--比如先說個小目標：一千光年距離的星球，（至於如幾百萬光年外的大目標，就留給科幻家們去考慮吧）飛船到達目的地後又以接近光速飛回。地球上的人都知道2000年後飛船會回來的--他們當然活不到那天，隻能把記錄留給幾十代以後的子孫了。飛船上的人則幸運得多，假定他們飛船的速度達到光速的0.9999倍--比光速隻慢萬分之一，根據洛倫茨變換公式，他們的時間流逝會慢到為地球上時間的1/70.7，也就是地球上過了2000年，飛船上的人隻過了28.2年，他們完全有機會看到2000年後地球的模樣，也就是他們實現了超長的時間旅行！
到了這點，喜歡思考的人往往會提出一個嚴重的質疑：地球或飛船在相互運動中地位是平等的。地球上的人認為自己靜止，飛船高速飛行，所以飛飛船上的時間變慢了。可反過來看，飛船上的人也可以認定自己的飛船沒有動，是地球在高速地相對自己運動，所以地球上的時間應該變慢。雙方的結論是完全相反的！到底誰的時間變慢了？還是都沒有變？這就引出著名的雙生子佯繆的問題！正式的結論是：一去一回的飛船時間變慢了。用上述的例子，飛船上的人度過28.3年回地球後，發現地球上已過了2000年！
要完整地解釋這個疑問真的不容易，至今對絕大部分人來說仍是個百思不得其解的問題。
本文希望用一種圖解的方式來詳細分析其中的道理，這是樓主認為最明瞭的手段。
有願意傷腦筋的人，歡迎繼續往下讀。如果你有高中以上學曆，又希望真正懂愛因斯坦的狹義相對論，你的努力也許會對此知識有一個飛躍的提高啊。嗬嗬！
人們在看偵探懸疑小說時，總有一些讀者受不了曲折驚險的情節所折磨而偷偷地先翻到書後去找到答案，嘿嘿！對於不想費腦太多的人，本文也在後邊加了一個總結討論部分，讓你看到結果。當然如果對結論部分更為疑惑，那就再回頭挑戰自己吧！
在討論之前，先說一下光速不變原理。光是個奇妙的東西，它在真空中的速度是29.9792458萬公裏/秒。不管發射者或接收者是處於靜止或運動中，這個速度都保持不變。光速不變原理並非愛因斯坦發現，而是由美國物理學家Michelson–Morley在1887年發現，但愛因斯坦利用這個結果提出了狹義相對論。
時空圖是描述宇宙空間運動的重要工具，為了簡化討論，這裏空間隻用了一維。
以下是用直角坐標畫出的時空圖：
 
圖中ot為時間軸，os為空間軸。
oA代表一個運動物體的時間和空間的演變線，或稱時空線。其中oT的長度代表A點的時間，oS的長度表示A點與運動出發點之間的距離。所以A的運動速度是oS/oT。我們把平行於os軸的TA線叫同時線（也稱等時線），在同時線上不同距離的任何點，體係的時間都相同。把平行於ot軸的SA線叫等距線，在等距線上不同時間的任何點，體係到原點的距離相同。
時空圖並不限於直角坐標，一個平行四邊形的坐標也可表達為類似的時空圖：
 
這裏，ot'為時間軸，os'為空間軸。
類似於直角坐標，oA'為A’的時空線,其中oT'的長度代表A'點的時間，oS'的長度表示A'點到原點的距離。這裏平行於os'軸的T'A'線是其同時線，而把平行於ot'軸的S'A'線是等距線。
當描述一束光在在直角坐標係統的運動時，oc為其時空線。這裏，我們使用1年為一個時間刻度，1光年為一個空間刻度，雙方刻度長度相同，TC/oT=1即代表了光的速度,因而，oC為兩軸夾角的分角線，與兩軸的交角都是45度。
 
類似，oc'表示光在平行四邊形坐標係統的運動時空線，同樣使用1年為一個時間刻度，1光年為一個空間刻度，雙方刻度長度相同，T'C'/oT’=1即代表了光的速度，oc’為其坐標兩軸的分角線，或它與兩軸的交角相等。
以下的討論使用一個直角坐標代表地球上的時空關係。假定從地球（原點）有一飛船出發飛行，oa為其運動的時空線，隨著時間的流逝，它距原地越來越遠。在此例子中，我們采用飛船速度為0.5倍的光速，用於較直觀地討論。
如果把飛船看為另一體係，該體係相對於地球體係運動，它的時空坐標可能是下圖的平行四邊形坐標，oa是其時間軸，os是其空間軸。
 
這坐標的時間與地球坐標是相同的，代表一種絕對的時間，或遵循所謂的牛頓的時空觀。TA仍是它的同時線，或線上任何一點的時間都是oT的長度（時間刻度）。光的時空線對地球和飛船的時空係統都是相同的，oc即光的時空線。
對於這樣的飛船時空坐標，一個問題將會顯現出來：如果oA是1年（與oT相同），AC將會是0.5光年，明顯小於TC的1光年。那樣一來，飛船時空坐標的光速將是AC/oA=0.5。顯然，光速不變原理在這樣的飛船時空坐標中被破壞了！
為了讓飛船時空坐標中光速保持不變，該時空圖必須要修改。回到開始時描述的平行四邊形坐標係統，oc’隻有與兩軸的夾角相等時，光速才可保持為1。為了達到兩軸的夾角相等，從原點出發的空間軸os'將與原來的os軸分開，使飛船的時空坐標變成下圖：
 
圖中oS'/oB=1, 滿足了光速不變原理。把os'與os分開是個非常重要的，革命性的變化！
在這新的飛船時空坐標中，既然它的os'軸與地球坐標的os軸已分開，它們對應的同時線也不再重合或平行。這種現象反映出了同時性的相對性，或不同體係的觀察者對同時刻的觀念將會分歧。
下麵我們采用一個思想實驗：假定地球或飛船上的人都有一種超距的觀察能力，即各方可以瞬間（不受光傳播速度限製）看到對方的時鍾刻度，無論雙方相距多遠，並用“看”代表這種觀察。
當地球人在1年的時刻T去“看”飛船上的時鍾，根據洛倫茨變換公式，飛船上的時鍾在A時刻的讀數是0.866年（洛倫茨係數為0.866），這時地球人用的是TA的同時線。
當飛船上的人在自己的時鍾為1年的時刻E點“看”地球的時鍾，他使用的是飛船時空坐標中與os'平行的T'E同時線，該線與地球的時間軸交點T'的時間是0.866年！
以上的相互“看”對方的時鍾，得出的結論都是對方的時鍾變慢了，但是兩個結果卻並不矛盾，因為兩邊使用不同的同時線。這現象回答了“到底誰的時間變慢了”的爭議。這點是個認知的飛躍！大家可以反複觀看和領會同時線的意義，過了這一關，後麵的討論就容易理解得多。
在此也讓大家注意到，飛船時空坐標的1年時間刻度比較長，其原因是時間變慢時，必須用更長的尺度代表1年。當飛船的速度越快和越接近光速，1年的刻度會越長。距離的刻度也有類似的性質。
既然在上述討論中，雙方都“看”到對方的時鍾變慢了，為何最終飛船上的人能真正享受到因時間流逝較緩慢而比較年輕，而地球上的人卻沒有變化呢？
下一步將從旅行的細節來描述整個過程並解答以上的疑問。
 
如果飛船多年飛行後（比如10年）接近了目的地D處，飛船將計劃在D處停下並準備返回。
在到達10年的時刻，地球上的人去“看”飛船上的時鍾，相似前文討論，飛船上的時鍾刻度為8.66年。
反過來在飛船一方，乘客已在飛船度過了8.66年，如果飛船仍然以0.5倍的光速前進而尚未開始減速，在乘客“看”地球的時鍾時，他用的是與os'平行的T2D的同時線，與地球的時間軸交點T2的讀數是7.5年(8.66年x0.866)。此時，雙方都認為對方比自己年輕。
在飛船減速到停止的過程中，地球上的人“看”飛船的時間刻度仍是8.66年--因為減速時間較短，沒有太大變化。
但是在飛船一方，它一旦減速停止下來，就與地球之間再也沒有相對運動。此時，飛船的時空坐標會回歸到與地球同一個直角坐標，或者雙方都使用T1D的同時線。
戲劇般的變化發生在此刻：乘客“看”到的地球時間刻度不再是減速前“看”到的7.5年而是現在的10年。總之，在飛船減速的很短過程中，乘客“看”到的地球的時鍾會從7.5年飛躍到10年，其原因是飛船的同時線由T2D到T1D的掃擺過程。
如果飛船的速度非常高而接近光速，這個跳躍會更大。比如飛船以光速的0.9999倍的速度（洛倫茨係數為0.0141）飛到1000光年外的目的地，當地球人過了1000年時去“看”飛船的時鍾，讀數為14.1年（1000年x0.0141)。飛船減速前，乘客如果此時去“看”地球的時鍾，讀數是0.2年（14.1年x0.0141），但一旦飛船減速後停下，再“看”到地球的時鍾會從0.2年飛躍到1000年！
以上例子得出清楚的結論；高速飛船上的人，旅行後到達目的地度過的時間較少，與地球的人相比，比較年輕。
如果用雙生子的例子可以有如下描述：雙生子的哥哥乘坐飛船離開地球以0.5倍的光速行駛，地麵上的弟弟10年後“看”飛船上的哥哥，發現哥哥隻變老了8.66歲，比自己年輕了。哥哥在飛行8.66年後接近目的地，減速前“看”弟弟，發現弟弟隻老了7.5歲，當然比自己年輕。可是飛船減速停靠在目的地後，哥哥再次“看”弟弟，發現弟弟突然增加了2.5歲，總共變老了10歲，比自己還老了。
當飛船從D處回程的旅行中，過程類似。
 
飛船加速前，雙方共使用T1D的同時線，對應的地球時鍾為10年，飛船的為8.66年。
返程光的運動時空線為Dc1，當飛船加速達到0.5的光速時，飛船的時空坐標將為平行四邊形，它時間軸為Da1，空間軸兼同時線為Dx1。這時乘客再“看”地球的時鍾，發現已從10年跳躍到了12.5年的刻度--同時線由T1D改變到Dx1的結果。飛船再次花了自己時鍾的8.66年飛回地球，如果飛行途中繼續“看”地球的時鍾，可以發現地球的時鍾在回程過程中隻走了7.5年，比自己的時鍾8.66年要慢，但因為出發加速時地球的時鍾跳過了2.5年，所以地球的時鍾在飛船回程中總共走了10年。整個算下來，飛船一去一回，地球上等了20年，而飛船上總共度過了8.66+8.66=17.32年。
等到飛船回到地球，大家當然可以麵對麵核對時鍾，而無須在路途中必須依靠思想實驗的超距“看”來觀察對方時鍾的進展，時間的差別這時成了眼見的事實。
總結討論，算細賬！
這裏再把雙生子佯繆的問題進行歸納，使用的飛船速度為0.5倍光速，其洛倫茨係數為0.866。在乘飛船的哥哥離開地球後，地球上的弟弟在20年後看到他回來。假定兩方都有一種超距的觀察能力，即各方可以瞬間（不受光傳播速度限製）看到對方的時鍾刻度，無論雙方相距多遠，並用“看”代表這種觀察。
弟弟方：“看”到哥哥高速離去又高速回來，這家夥就隻花了8.66年時間到了目的地，返回又用了8.66年。我這裏沒有什麽動作，白白等了20年，所以現在他比我反而年輕了2.68歲，哼哼！
哥哥方：我的旅程分三部分，我一直在關心地球上弟弟的情況，所以有詳盡記錄。三部分的記載如下。
1. 我用了8.66年飛往目的地，一路上“看”到地球上的時鍾比我的慢，弟弟似乎越來越比我年輕，因為我的8.66年，他才過了7.5年（8.66x0.866)。
2.我的飛船到了目的地以後還是以0.5倍的光速回飛，是否中間減速停下，或隻是繞行轉180度，一直以0.5倍光速繼續飛，這些細節我就不講了。總之，我開始回飛時（已是0.5倍的光速）專門“看”了地球的時間，發現地球的時鍾從到達前的7.5年突然跳到了12.5年。我知道，我之所以“看”到的地球的時鍾不同，是因為我的“同時”的觀念發生了變化：前進時我的“同時”的觀念與地球的時鍾7.5年同時刻，返回時我的“同時”的觀念與地球的時鍾12.5年同時刻。所以，我這一轉頭，地球就度過了5年！
3.我用了8.66年從目的地飛回地球，一路上“看”到地球上的時鍾比我的走得慢，我花了8.66年，地球那邊時鍾才走了7.5年。不過，加起來地球過了20年，我隻用了17.32年！
綜上所述，雙生子的故事有了統一的結果：
弟弟看到哥哥因為高速行駛，時間變慢，他過了17.32年，自己等了20年，所以哥哥比我年輕2.68歲。
哥哥說，我飛去或飛回分別用了8.66年，飛行時弟弟的時間比我慢，他隻度過7.5+7.5年，可是在第二階段轉向時，他的時間跳躍了5年，這是為什麽弟弟實際過了20年，所以我比弟弟年輕2.68歲。
不少科普資料把雙生子佯繆的解釋留給廣義相對論，也有的歸於加速或減速時人類的生物反應造成飛船上的哥哥變年輕的原因。如果你搞懂了以上描述和討論，你就知道那些都是因為談不清楚而隨便忽悠人的。嘿嘿！