时空旅行能否成为现实？

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时间旅行是每个人都有过的想法，可能你想回到过去，试着改变某一件事。现代有很多科幻**都涉及到了时间旅行，也有很多以时间旅行为灵感而创作的文学作品。

但是，时间的倒退和前进真的可能实现吗？如果能实现，我们应该如何做才能把它变成现实呢？

时空旅行想要成为现实是很难想象的，长期以来，许多科学家尤其是天体物理学家都在思考这个问题。令人难以想象的是，也许真的可以做到时间旅行。

首先，令人失望的是，我们无法回到过去，不过的确有一些理论显示，时间向未来的跨越是有可能实现的。

爱因斯坦曾提出了狭义相对论，尽管许多人认为时间是固定不变的，爱因斯坦却证明了时间是一种幻象，是相对的。

根据观测者在太空中的速度不同，时间也会发生改变，狭义相对论的内容是很难想象的，因为它与我们日常生活没有太多关联，但其他一些科学家也证实了这一理论。

该理论认为，空间和时间其实是某样事物的不同方面，这个事物就是“时空”。任何穿越时空的事物，速度不会超过每秒300000公里的限制，也就是光在太空中的速度。

再回到时间幻象，狭义相对论认为，当你穿越时空时，会有意想不到的事情发生。相对于其他人，你的时间会过得更慢，而只有回到这些人身边时，你才会发现这一事实。

我们来打个比方，假设你现在15岁，乘坐航天器以接近光速的速度在宇宙航行，期间你过了5次生日，等你20岁回到地球上时，那些曾经和你同龄的同学们，已经满65岁，退休在家过着安逸的日子。

原因就是你的时间过得更慢，你只度过了5年的时光，而你的同学却过了整整50年。但爱因斯坦的广义相对论提出了另外的内容，那就是引力能够弯曲时间。假设一种四维空间结构，任何有质量的东西附着在这片结构上，空间表面就会出现凹痕，这就是时空的弯曲。

弯曲的时空会使物质绕弯曲的轨道移动，而这种弯曲的时空，就是我们常说的引力，那我们怎样才能穿越时空呢？

有一个可行之策就是虫洞，也就是爱因斯坦-罗森桥，源于爱因斯坦和科学家纳森罗森一起在1935年提出虫洞的存在。

虽然目前一个都没发现，但是许多科学家都提出虫洞是可能存在的。其中最著名的要属史蒂夫霍金和基普索恩，索恩甚至曾为诺兰导演的《星际穿越》做了理论顾问。

那我们就假设虫洞存在，上世纪八十年代后期，索恩提出将虫洞制成时光机这一想法是有可能实现的。根据爱因斯坦的广义相对论，虫洞在太空的作用可能像一座桥，将两个远距离的点拉近。

理论上来讲，某种特定类型的虫洞，可以实现任意方向的时间穿梭，前提是要使虫洞的一端速度接近光速，再将其倒转回原来的位置，让另一端保持原状，我们就能得到这样的结果。

由于时间延迟的影响，相较于固定的一端，变化那端的时间就会慢下来，但是虫洞很难把握，容易造成各种逻辑悖论。

举例来说，一个人穿过虫洞，他能看到一分钟前的自己，如果他利用虫洞，开枪打死了更早的自己，现在的他已经死了，那这是谁开的枪呢？

再回到时间延迟的话题上，国际空间站上的钟表要比地球上的走得慢，因为空间站移动速度很快，并且受地心引力影响更小，时间流逝更快，这也是为什么地球上的钟表都不完全精准的原因。

由于时间延迟，越靠近地球表面，时间也越慢。可以说，每个登上太空的人都是时间旅行者。

通过观察导航卫星，可以更好地了解时间延迟的原理，平时我们手机中的GPS芯片是通过太空中绕地飞行的24颗卫星运作的，卫星会根据标记位置时发送和接收信号的时长来进行定位。

然而，在设计这套系统时，科学家发现，GPS卫星上的原子钟确实会走得更快，准确计算后发现，它们每天都会少走8微秒，这个差距几乎无法感知到，但也足以造成定位数据的严重偏差。

技术人员对太空上的时钟进行了调整，来计算相对论效应的数据，发现问题不在于钟表本身，钟表走得快是与地球上的时间相比，太空中的时间流逝的更快，造成这种独特现象的原因就是地球的质量。

爱因斯坦认为，物质会拖住时间，减慢时间的流逝，物体质量越大，对时间的延迟也越多，而正是这一惊人的事实，为时间旅行的发展打开了新的大门。

在银河系的中央，有着银河系中质量最大的物质，一个质量很大的黑洞，大约是太阳的400万倍。在其本身引力的作用下，黑洞坍塌成了一个点，越靠近黑洞，引力也就越强，一旦靠近到一定距离，光也无法逃脱。

像这样的巨型黑洞，对时间的拖延作用就非常明显，相较于银河系中的其他物质，它对时间的拖延要多得多，同时黑洞也就成为了一个天然时光机。简单地说，质量到达一定程度的黑洞就是时光机。

当然，这一理论并没有实践支撑，相较于虫洞，黑洞的优点更多，且不会造成逻辑悖论。但黑洞非常危险，而且距离我们十分遥远，就算在未来，也很难到达那里。

幸运的是，穿越时空还有另一种方法，这也是最有可能实现的制造时光机的方式。

那就是拥有非常快的速度，快到可以逃过黑洞的吸力。宇宙是有限速的，每秒186000英里，也就是我们熟知的光速，没有任何东西能超过这个速度，这也是科学界公认的一条规则。

以光速的速度运动，你就可以穿越到未来，比如科幻片中常见的传输系统。假设有一条围绕地球转动的轨道，当行驶的列车无限接近光速时，列车就成为了时光机。

但是想要接近光速，就要以非常快的速度绕地行驶，由于物理定律的限制，列车很难达到光速，而一旦达到这个速度，车上的时间与世界各地相比就会流逝得越来越慢，仿佛到了靠近黑洞的地方，就是这么简单。

如果你想穿越到未来，只要速度够快即可。人类 历史 上速度最快的载具是阿波罗10号，能达到每小时25000英里，但要想穿越时空，这个速度是远远不够的，要想达到宇宙极限速度，需要长达6年的全速前进。

显然时空旅行如今不可能实现，人类不太可能在这样的穿越过程中存活下来，但物理学正在不断发展壮大。量子力学理论的进步或许能为我们提供关于时空穿越中逻辑悖论问题的解法，就算仍无法实现时空旅行，也可能为我们解答为什么某些粒子能够以超过光速的速度彼此交通。

至少目前时空旅行爱好者还能在影视和书本中体验穿越的乐趣。

为什么科学家们要追寻暗物质？

据《麻省理工科技评论》8 月 1 日援引西班牙《国家报》（El Pais）的报道称，在一项备受争议的研究中，一组大胆的生物学家首次创造了半人半猴的胚胎。

据报道，西班牙裔生物学家 Juan Carlos Izpisua Belmonte 在美国加州索尔克研究所（Salk Institute）经营着一个实验室，他一直在与中国的猴子研究人员合作，进行这项令人不安的研究。

他们的目标是创造“人-动物胚胎嵌合体”，即在胚胎嵌合体的组成细胞中存在两种或两种以上动物的细胞。具体到这个研究项目上，即是在猴子胚胎中加入了人类细胞，以培养出“人-猴杂交”的个体。

其实，胚胎嵌合技术早已有之，出于科研目的，各种人-动物，以及不同动物的胚胎嵌合体也层出不穷，只不过和所有的胚胎试验一样，出于安全风险和伦理限制，世界多国政府都明令禁止含有人类细胞的动物胚胎存活超过14天，更是严令禁止将嵌合胚胎移植到**子宫中进行出生。

而就在 7 月 2 6日，Nature 杂志官方网站却公布了一项令人震惊的消息，日本政府正式批准了一项人兽杂交胚胎试验，允许这样的杂交胚胎“出生”，引起全球社会各界一片哗然。

这项研究由东京大学与美国斯坦福大学合作，准备在老鼠体内的受精卵中，植入人类的诱导多能干细胞（iPS 细胞），以制作人与动物的细胞混合而成的“动物性聚合胚胎”。随后，让该胚胎在动物母体子宫内孕育，从而产出体内有人类胰脏等器官的幼体。

我们不禁要问，这些科学家到底要搞哪样？为什么要这样做？

其实，这类研究背后的目的，大多是创造能够长出人类器官或组织的动物，这些器官或组织完全由人类细胞构成，因此可作为器官移植的来源。

因为目前胚胎干细胞技术在再生医学应用领域面临着一大障碍，就是为了获取一个来源于自己干细胞的器官，每次都得克隆一个完整的个体，杀死一个自己的克隆人来救自己，实在有悖人伦。

而现在，如果用动物的身体“孕育”一个特定的人类器官，既解决了来源于自己细胞的器官来源问题，又避免了杀死一个克隆人的伦理道德障碍。

制造胚胎嵌合体的技术，包括将人类胚胎干细胞注射到另一个物种生长数天的胚胎中，按照科学家们的设想，人类细胞能随着胚胎一起生长，最终，动物胚胎长成一个完整个体，人类干细胞也就形成了一个器官。

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此时悟空在天上一刻不停得找寻暗物质，但是在上个世纪的很长一段时间里，人们并没能成果证明暗物质的存在。常说，“眼见为实”，那么科学家为什么认为不可见的暗物质是存在的呢？

来自两大领域的证据

自茨威基二十世纪30年代发现并命名“暗物质”后，直到二十世纪70年代，证明暗物质存在的研究才真正取得进展。为什么在长达四十年的时间里，暗物质研究都没有进展呢？

当时，天文学家刚刚意识到星系是由恒星组成的巨型集合体。茨威基观测后发座星系团时，对爱因斯坦理论的验证刚刚起步，首次宇宙测量正在进行，核物理学家刚刚开始发展解释大爆炸和超新星的理论。星系复杂而遥远，暗物质问题没有立即引起天文学家的关注，也不足为奇。

二十世纪70年代早期，技术、天文学和粒子物理的进步为暗物质研究奠定了基础。广义相对论和核物理在关于早期宇宙的大爆炸理论中“携手”，更大的望远镜和更精准灵敏的光探测器提升了天文观测的速度和质量，微型计算机的降价使从事物理和天文研究的机构有能力购进用于天文计算的高性能计算机。各领域的进步都为拉开暗物质综合研究的序幕做好了准备。不久，两个重要的研究“应运而生”，来自计算机模拟和天文学观测的证据再次证明宇宙中存在暗物质。

1973年，供职于普林斯顿大学的天文学家欧斯垂克（Jeremiah Ostriker）和皮伯斯（James Peebles）使用数值模拟研究星系演化。他们应用多体数值模拟（N-body simulation）将300个质点编入计算机程序，以此代表一个星系中围绕中心点转动的恒星群。在他们模拟的星系中，靠近中心处的质点较多，边缘处的质点较少。模拟运行时，程序通过牛顿定律计算每对质点之间的引力，显示出质点在短时间内如何运动。通过多次计算，欧斯垂克和皮伯斯能够“追踪”星系中所有质点在长时间内的运动情况。

欧斯垂克和皮伯斯。来源： AIP, Physics Today Collection and Tenn Collection.

欧斯垂克和皮伯斯发现，大部分质点在一个轨道周期（质点环绕轨道一周需要的时间）内就会“压缩”为接近星系中心的高密度条状物，仅有少数质点向更靠近边缘处的位置运动。这与通常情况下观测到的优美的螺旋形或椭圆形星系完全不同。但如果在模拟中加入相当于所有质点总质量3-10倍的均匀分布的静态质量，输出的星系结构就变得合理了。欧斯垂克和皮伯斯的数值证据可以证明，要形成我们观测到的星系结构，暗物质的参与是不可或缺的。

与此同时，供职于华盛顿卡内基研究所的天文学家福德（Kent Ford）和鲁宾（Vera Cooper Rubin）开始对仙女座星系（galaxy of Andromeda）的恒星运动进行细致观测。星系非常庞大，即便是以每秒200公里的速度运动的恒星，看起来也像是静止的，天文学家需要通过多普勒频移计算其运动速度。早期，测量仙女座星系不同部位的恒星速度极为困难。当时，用于测量频移的光谱仪很长时间才能聚集足够的光线，对仙女座星系某个特定部位的观测需要耗费数小时甚至数个夜晚。整合几次观测的图像也面临重重挑战，结果经常出现误差。70年代早期，更加灵敏的光探测器缩短了观测时间，为在更大范围内进行星系观测带来曙光。

鲁宾正在测量星系光谱，她用看起来像显微镜的设备发现光谱中的微小差别，通过这些差别得出星系各个部分转动的速度。

来源：Carnegie Institute of Washington

福德和鲁宾用新的探测器测量了仙女座星系内部和附近氢气云的速度。这些氢气云绕星系做轨道运动，这在很大程度上类似于恒星在星系内部的轨道运动。福德和鲁宾设想，与边缘处的氢气云相比，星系可见边缘外的氢气云应该以更慢的速度运动。倘若星系的质量集中在发光之处，福德和鲁宾的设想就符合维里定理的推测。但他们的发现恰恰相反：星系可见边缘外的氢气云的轨道速度保持不变。如果牛顿引力定律是正确的，星系可见边缘外必定存在额外的不发光的物质。鲁宾认为，如果仙女座星系符合牛顿引力定律，该星系必定含有暗物质，离星系中心处越远、暗物质的数量越多。下图中的绿点表示实际观测到的M33星系中物体的轨道运动速度（竖轴）和该物体到星系中心点距离（横轴）之间的关系。位置较低的**虚线表示根据星系内的发光物推算的M33星系内物体的轨道速度。绿色的点明显与虚线不符：星系外的物体的轨道速度远快于预期。但如果星系中含有大量不发光物体，远离星系中心的物体就会以更快的速度运动。绿色实线是以M33星系内含有暗物质为前提推算的物体轨道运动速度。这些轨道运动曲线为暗物质的存在提供了强有力的间接证据。

来源：M33 Image: NOAO, AURA, NSF, T.A.Rector.

第三种证据

到上世纪70年代末期，两种关于暗物质的证据已“脱颖而出”。星系团内的星系运动和气体云绕个体星系的运动证明，要么星系和星系团中存在大量看不见的物质，要么我们对引力的理解从根本上就是错误的。而对星系形成的模拟也显示，要形成我们在夜空中观测到的螺旋形和椭圆形星系，大量暗物质的参与不可或缺。上世纪90年代，随着大气层外的射电望远镜“绘出”宇宙微波背景（cosmic microwave background），第三种证据浮出水面。

新的证据来自早期宇宙。天体物理学家相信，大爆炸发生约一秒钟后，由质子、中子、光子、电子和其它次原子粒子组成的致密混合物充斥了宇宙。当时温度极高，以至于电子无法与质子结合形成原子。所有粒子高速分散，使所有存在形式保持相同的温度，即彼此处于热平衡状态。光子也在远离带电的质子和电子，但它们无法到达很远的地方。

在宇宙膨胀的过程中，温度下降至约10亿开氏度。质子和中子开始结合，形成原子核。在大爆炸发生约39万年后，持续的膨胀和降温使宇宙温度下降到约3000开氏度。此时，所有电子和质子均已结合形成电中性的氢原子，所有其它带电粒子均已衰变。初始时期的氢气形成后，宇宙对于光子来说变得“畅通无阻”，此后的130多亿年中，它们始终在宇宙中穿行。这些来自早期宇宙的“古老”光子带有一个微波波长，也就是人们所说的宇宙微波背景。

中性的氢气形成前，物质在空间中几乎是均匀分布的，但量子力学的波动会引起普通物质和暗物质密度的微小变化。引力将普通物质和暗物质拉向每次波动的中心。暗物质向中心移动时，普通物质会填充进来，直至光子的压力将其推回并导致普通物质向外移动。引力的压力超过光子压力时，物质才会再次向内填充。每次波动“周而复始”，波动频率由其大小决定。这种起伏会影响普通物质的温度，使其在向内填充时升温，向外移动时降温。暗物质不与光子发生相互作用，不受这种效应的影响。

中性的氢气形成时，物质向内填充过的区域比周边区域温度高。反之，物质“流出”的区域温度相对较低。物质在空间不同区域的温度以及与其保持热平衡的光子能够反映出暗物质在初始密度波动中的分布情况和普通物质的情况。电子和质子形成中性氢气时，这种温度变化模式被“冻结”在宇宙微波背景中。因此宇宙微波背景中的温度变化图能够揭示大爆炸发生39万年后不同类型物质的位置和数量。

欧洲普朗克宇宙探测器团队于2013年发布的宇宙微波背景图。来源：ESA

2013年3月21日，欧洲普朗克宇宙探测器团队发布了新的全宇宙微波背景图。图像表明，宇宙的年龄比研究人员之前的推测稍微古老一些。这张宇宙的“婴儿照”将细微的温度变化镌刻在深空中。镌刻下的印记反应出宇宙在初始时期“泛起的涟漪”，这些“涟漪”带来了目前星系团和暗物质组成的广袤的宇宙网络。该团队推算，宇宙的年龄为137.980.37亿岁，由4.9%的普通物质,26.8%的暗物质和68.3%的暗能量组成。

在这三大证据的面前，暗物质的面目逐渐越来越清晰起来。

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