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时间是普遍存在的吗？
时间有开始吗？
时间会终结吗？
时间旅行有可能实现吗？
失去的时光再也找不回。
——本杰明·富兰克林
好的，皮尔格林先生，我们此时被固定在这一瞬间的琥珀之中。没有什么为什么。
——库尔特·冯内古特
此时此地才是最重要的。没有过往，也不存在未来。时间是一种极具误导性的东西。一切从来都只是当下。我们可以从过去获得经验，但无法再活一遍；我们可以对未来怀抱希望，但并不知道究竟有没有未来。
——乔治·哈里森
时间是我们存在的最个人化的特征。它是将我们生活的大戏串在一起的线，是所有文学作品的核心，无论好坏。它滋养着悲剧的心脏，也为冒险的脉搏供能。但它仍然如此神秘，以至于有人严肃怀疑它是否真的存在。
爱因斯坦曾在解释相对论时开玩笑地说，和一个充满魅力的人交谈，一小时也好像只有一分钟那么短，但如果在滚烫的炉子上坐着，一分钟就像一个小时那样漫长。虽然他是在开玩笑，但他的话有一方面是对的：对时间流逝的感知取决于你的心境，比如你是百无聊赖还是兴奋不已。
无论你的心境如何，时间都很宝贵。由于现代医学的发展，我们大多数人的寿命都超过了古籍中传统的古稀之年，但我们人生在世的时间依旧是有限的。用本杰明·富兰克林的话说，我们没有再来一次的机会。看过一部烂片的人都清楚，失去的光阴一去不复返。
不少哲学探讨都着墨于“物理学暗示时间本身究竟是基本的还是一种幻觉”的问题。我稍后会简单聊聊这个问题，但我认为，就像许多哲学讨论一样，它忽略了物理学家以及其他所有人实际上担心的关键问题。时间几乎支配着我们日常生活的各个方面，这是无可否认的事实。对那些冲上火车站台，却发现5点50分的通勤火车刚刚开走的人来说，“时间可能是一种幻觉”的说法毫无助益。
巧的是，正是对火车的思考，让阿尔伯特·爱因斯坦改变了时间作为一个物理量的概念。
在那之前，努力让相隔遥遥的时钟保持同步一直是一项重大挑战，特别是考虑到国家间的商业和战争主要是在海上进行的。为了清楚自身相对于目的地的位置，在海上沿东西轴线航行时准确定位经度至关重要。
只有在（由太阳位置决定的）当地时间可以和出发地的时间进行比较的条件下，准确定位经度才成为可能，而这就需要一台可以在漫长的海上航行中保持准确的时钟。在英国，测量经度的问题被认为至关重要，以至于议会于1714年设立了一项公开奖励，拿出一万到两万英镑奖金来奖励提出测量经度的方法的人，具体金额取决于测得经度的准确性。1730年，木匠兼钟表匠约翰·哈里森（John Harrison）提出了他的航海天文钟设计方案，并在接下来的30年里完善了这一设计，最终达到了奖励要求的精度。尽管他这30年的努力最终换来了两万多英镑的报酬，但达娃·索贝尔（Dava Sobel）在她的著作《经度》（ Longitude ）中称，哈里森从未被英国经度委员会正式认可为这一奖项的得主。
现如今，世界各个角落的时钟都能以相对较高的精度同步，这创造了一个真正通用的地球时间参考系。事实上，今天我们把格林尼治皇家天文台的当地时间称为协调世界时。
在引入格林尼治的标准时间之前，各地方政府都根据他们当地的太阳位置设定自己的时间。但当铁路旅行出现后，迅速穿越足够长的距离便成了可能，这种距离长到火车上的时钟经过每个城镇时都不得不重新设置一番。
因此，从某种意义上来说，正是火车旅行的出现带来了时间的标准化。19世纪，火车旅行让不同村庄的时间互相协调成为必要，这可能激起了阿尔伯特·爱因斯坦测量时间的兴趣。爱因斯坦是瑞士伯尔尼的一名专利职员，在这个国家，几乎每座城市每隔几分钟就有一列火车驶离站台，并且那里的火车时至今日仍是出了名地准点。我以前每年夏天都会去苏黎世大学（爱因斯坦最终在这所学校获得了博士学位），有句老话说得太对了，一个人可以根据火车安排自己的作息——在还没有手机和苹果手表的时代，这是个巨大的优势。
正如爱因斯坦的几乎所有研究一样，他一开始就对被大多数人视作理所当然的关键假设的有效性提出了质疑，而对相对论来说，这个关键假设就是个人时间等于世界时间。爱因斯坦采用了一种观点，就是后来乔治·哈里森所表述的，也是我在这一章开篇所引用的观点，并将它升级成了一种假设，那就是，我们可以测量的唯一时间，就是我们在所在之处经历的时间。
这听起来像是一种同义重复，我们在世界上的经验让我们想当然地认为，我们手表上测得的时间也是在隔壁房间测得的时间。然而这是一个需要通过实证来检验的假设。而爱因斯坦在仔细而精确地检查一个人如何同步时间后发现，这个假设可能是错的。
我们在自己的位置上直接体验着时间，而所有关于其他位置的时间流动的知识，都来自我们接收的信息，这些信息从遥远的位置到达我们这里需要一段有限的时间。然后，我们再根据这些远程观察进行推断。
因为光速太快了，我们在观察周遭的事件时，似乎很自然地就假设它们是同时发生的，因为在实际条件下，我们无法察觉这些事件的发生和我们对它们的观察之间的时间延迟。爱因斯坦决定质疑这个常识性的假设，因为他意识到，他那个时代的前沿物理学中隐藏着一个悖论。
就在40年前，伟大的理论物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在同样伟大的实验物理学家迈克尔·法拉第的开创性研究的基础上，详细阐述了电磁理论。麦克斯韦的理论预言，光是电磁场的一种波，它的速度由两个基本的自然常量决定，分别是两个电荷之间电力的强度以及两个流环之间磁力的强度。这些常量反映了空间本身的基本属性，因此，对所有观测者来说，它们的测量值应该都一样。
爱因斯坦发现，麦克斯韦的结果意味着，所有观测者无论自身运动状态如何，无论是朝向还是远离他们所观测的光源，测量到的光相对于他们的运动速度都是相等的。否则，不同的观测者就会测量到不一样的电磁力性质，这就和麦克斯韦理论的普适性冲突了。
爱因斯坦决定假设麦克斯韦的理论是基本的，而与观测者无关。但他意识到，这就带来了一个问题，因为常识告诉你，如果你朝着一束光的光源移动，光束向你移动的速度应该比你静止不动时要快，这就好像在路上开车时，迎面而来的车辆靠近你的速度比你站在路边不动时更快。
爱因斯坦为人称道之处在于，他乐于发问，思考如果常识是错的，那么后果会怎样，而在这个例子中，常识正是错的。由于速度是由一段特定时间内的移动距离决定的，他发现，如果距离和时间的测量的确与观测者有关，那就有可能调和麦克斯韦所做的光速应该与观测者无关的预言。如果对相对运动的两位不同的观测者而言，距离和时间都以某种协调的方式变化，他们测量的光速就可能是一样的，这样就能证实麦克斯韦理论的普适性。
爱因斯坦在向前跨出如此大的这一步时意识到，虽然这种假设似乎和经验冲突，但和人通常体验的速度相比，光速太大了，因而对地球上不同观测者来说距离和时间测量结果的任何预期变化都难以察觉。因此，这种变化有可能没有被注意到。
一旦做出空间和时间是相对的假设，只用高中代数就能够精确计算出两位相对运动的观测者的时间和空间测量结果的变化幅度。
虽然数学计算最终很简单，但以正确的方式提出物理问题，从而推导出他的方程，需要一些想象力。爱因斯坦诉诸他所谓的“思想实验”来计算两位相对运动的观测者之间时间和空间测量的差异。他在瑞士生活，用来引导他分析的思想实验自然离不开火车，特别是火车上的时钟。他想象了站台上的观测者如何测量一列行驶火车上的时间流逝，想象地面观测者让自己的时钟与行驶火车中央的观测者的时钟同步，他又如何测量放置在火车前端和末端的、与火车上的观测者的时钟同步的时钟上的时间。最后，他还考虑了站台上的观测者如何测量火车的长度。
任何物理学入门教科书都会复述他的思想实验所做的计算，但就我们的目的而言，只要介绍一下他的结果就够了：
1. 站台上的观测者观察到行驶火车上的时钟看起来走慢了。
2. 在站台上的观测者看来，在行驶火车前端和末端的、与火车中央的时钟同步的时钟，看起来并不是同步的。这意味着，对于发生在空间上远离他们每个人的地点的事件，两个人会测出不一样的时间顺序。对于这样的事件，一位观测者的“前一件事”是另一位观测者的“后一件事”。
3. 站台上的观测者进行测量时，火车上的观测者朝火车运动方向上握着的尺子看起来更短。
在所有这些情况下，当速度 v 与光速 c 相比很小时，两位观测者的观测结果的差异是 v 2 / c 2 的量级。这个数很小，所以在爱因斯坦进行分析的那个时代，其影响自然不会被注意到。
现在我们能测量这种差异了，爱因斯坦的预测也得到了验证。时间和空间是相对的，“现在”只对你所在之处发生的事件存在客观意义，所以“现在”并不是全宇宙的普适概念。
爱因斯坦的预测尽管很奇怪，但并没有立即显现出自相矛盾，要等到你想到了火车上的观测者的测量结果时才会发现矛盾之处。这位观测者观测到了和站台上的观测者观察到的相同效应，只不过现在测量的对象成了站台上的时钟和尺子！两位观测者都认为对方的时钟走慢了，都觉得对方手中的尺子更短，等等。这种影响完全是相互的。
第一次听说这一事实时，大多数人会推断两位观测者之间的测量差异只是一种错觉，不反映任何客观现实。怎么可能你的钟测出来我的钟走得慢，而我的钟也测出来你的钟走得慢？
但这个悖论只有在你假设时间的流动是普适的，并且你的测量具有任何超越你所在的局域参考系的客观意义时才会出现。但事实并非如此。时间的流动与观测者有关。为了证明这些测量差异不是一种错觉，而是真实存在的，我们可以诉诸爱因斯坦最早描述的一个著名案例，也就是所谓的双生子佯谬。
有一对双胞胎，其中一人乘坐宇宙飞船以接近光速的速度出发，前往25光年外的恒星进行一次往返旅行。50年后，留在地球上的双胞胎弟弟欢迎哥哥回家，却发现哥哥几乎没有变老，而他自己已经老了50岁！
乍一看这似乎并不矛盾。毕竟，在地球上观察到的是，宇宙飞船中的双胞胎哥哥的时钟走得慢，所以它在旅程中可能只走过了相当于一个星期的时间。
但当我们从宇宙飞船上哥哥的参考系来思考这种情况时，问题就出现了。那位哥哥难道不会同样测量出他在地球上的弟弟的时钟走得慢吗？
解决这种佯谬离不开这样一个事实，那就是，两兄弟的情况不是可互换的，因为宇宙飞船上的哥哥在整个航程中并不是在以恒定的速度移动。为了掉头回来，飞船上的哥哥不得不放慢速度，停下来，然后转头回来。在此期间，他经历了一次减速和加速，把他从座位上拉下来又推回座位上。（另一种情况是，哥哥可以绕着恒星转动并返回，但在这种情况下，他也会经历一次加速。）但地面上的弟弟却没有经历这样的加速度。
那么显然，由于有了加速度，一定会发生一些奇怪的事。的确，算出的数学结果表明，在地球上的弟弟身上的几乎所有老化，都发生在他的宇航员哥哥转向的很短一段时间里。在宇航员转向前，地球上的弟弟的时钟比飞船上的时钟要慢，但就在转向后，他用飞船上强大的望远镜观测地球时，看到地球上时钟的日期现在差不多比他这里快了50年！
为了不让你觉得这都是胡编乱造，双生子佯谬的结果已经用一座装在绕地球飞行的飞机上的灵敏原子钟得到了检验。当飞机返回基地时，飞机上的时钟的确比地面上一样的原子钟更慢，虽然这个例子中的差值仅为百万分之几秒，但足以证实爱因斯坦的预测。
加速物体身上的时间流逝的怪异之处，或许激起了爱因斯坦对加速系统的好奇。我很快就会详细介绍，爱因斯坦用了另一项截然不同的思想实验，以此向自己证明，无论一个加速的人经历了什么，他身上发生的事情都应该和受到引力的人别无二致。简而言之，爱因斯坦的理论是，在加速观测者的参考系内进行的所有测量的结果，都和观测者在引力场中静止状态下进行的测量结果完全一致。
这就是让爱因斯坦在10年后提出广义相对论和引力理论的垫脚石。我们目前没有必要详细介绍这个理论的所有细节。你只要知道，这种时间的相对论意味着，如果加速度以客观可测量的方式改变了时间流，那么引力也一定会变化。
1959—1960年，哈佛大学的罗伯特·庞德（Robert Pound）和小格伦·雷布卡（Glen Rebka Jr.）第一次对此进行了检验。这两位具有独创性的实验学家在哈佛大学物理系大楼的屋顶附近放置了一个放射性钴源，它发射的高能伽马射线会被铁的同位素铁–57（ 57 Fe）样本吸收。在他们的实验中，铁样本会被激发，随后发射出一种能量相当特殊的伽马射线，这种射线的频率也因此非常独特，对应于铁核的基态和它们的第一激发态之间的能量差。在一根长管的另一端，也就是这幢建筑里深74英尺（约23米）的地下室里，还有一份类似的铁样本，以及一台伽马射线探测器。如果从屋顶发射的伽马射线的频率与撞击地下室铁源的射线的频率一致，那么这个源就会吸收伽马射线，为核供能，让它高效地进入第一激发态。
我们可以把光的频率看作一台精确的时钟，因为其每秒振荡的次数是固定的，就像时钟的运转。就铁核从第一激发态弛豫时发出的伽马射线而言，这台时钟每秒要走超过10 18 次。
如果地下室的时钟与屋顶时钟运行速度不同，那么屋顶和地下室的辐射源发射或者吸收的频率就也会有所差异。庞德和雷布卡就能通过竖直上下移动屋顶上的铁源，证实这种极微小的效应。庞德和雷布卡利用了著名的多普勒效应，这种效应说的是，一个发射源朝向你移动时发出的辐射频率会变得比静止时更高，远离你时频率则会更低。这样一来，他们就能通过移动相对于实验室中静止的源的屋顶源，略微改变发射的光的频率。
果然，他们在改变频率时发现，地下室铁源优先吸收的屋顶移动铁源发出的光，要比屋顶铁源相对于地下室铁源静止时发出的光的频率略低。类似，如果把移动的源放在地下室，他们发现，屋顶铁源会优先吸收频率略高于地下室静止铁源发出的光。这意味着，地下室的“铁时钟”比屋顶上那台时钟走得更慢，就像爱因斯坦预测的那样！
鉴于爱因斯坦预测的净效应差不多只有10 18 分之一，在1960年就达到这种灵敏度的实验可谓代表了一种实验巧思的胜利。如今，我们已经有了极其精密的原子钟，其精度远远超过了检验这一预测所需的精度。
由于地球引力场并不大，我们可以用更简单的术语来理解这种广义相对论效应：光在向上攀登的过程中为对抗地球引力，失去了能量。低频的光包含的能量更少，因此，光会向波长更长、频率更低的状态移动。这种效应被称为引力红移，因为红光是可见光谱中波长最长的那个部分。
前面说过，虽然这种影响微乎其微，但现代技术已经能直接测量它，不仅如此，它还在我们日常生活中起到了相当大的作用。你如果开车或者走路的时候用过手机GPS（全球定位系统）指路，就离不开这一事实：我们知道引力红移，并且可以根据其调整我们的原子钟。
GPS卫星利用一种三角测量程序工作，我们可以将其简化示意如下：卫星携带着精密校准的原子钟，可以发出时间信号，被你的手机接收，而你的手机又能记录接收到信号的时间。因为信号是以光速传播的，这就说明了你的手机离卫星有多远。你的手机如果能和三颗甚至更多卫星进行同样的操作，就有可能在三维空间中被精确定位。
当然，整个过程都取决于不同时钟的精密校准。但各种卫星都在以不同的、相对比较高的速度相对于你移动，而且它们的高度距离地球表面大约12 000英里（约20 000千米）。这些因素叠加意味着，卫星上的时钟被观测到的运转和地球上同样时钟的运转略有不同。
在这种情况下，由于狭义相对论效应，卫星的速度会让时钟每天慢大约7微秒，而由于广义相对论的影响，卫星比较高的高度又会让时钟每天快大约45微秒。这可能看起来并不多，但如果忽略这一点，在使用一小时后，我们的位置精度就会偏离将近一千米。
如果时间流逝的速度不仅取决于一个物体的运动，还取决于它所处的环境，那么我们自然就会去考虑更多奇特的环境，还有它们对时间可能产生的影响。但宇宙能有多奇特呢？是否有时间本身压根儿就不存在的地方？这一点，我们还不知道……
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我们第一次接近这个已知的极限，是在引力强到我们观测它的能力受限时，在这里，我们对引力本身的基本理解可能土崩瓦解。
如我之前所说，我在地球上的时钟比在更高高度的卫星上的时钟走得更慢，虽然只是慢一点点。但地球的引力场毕竟相对较弱。那么更大质量、表面引力强得多的天体会怎么样呢？
第一个认真思考引力的极端情况的人是名不见经传的英国牧师兼科学家约翰·米歇尔（John Michell），他出生的时间比艾萨克·牛顿去世早3年。米歇尔在剑桥大学教授几何学、希腊语、希伯来语、哲学和地质学，而仅仅75年前，牛顿正是在剑桥公布了他著名的万有引力定律。科学史家埃德蒙·惠特克（Edmund Whittaker）爵士认为，米歇尔是牛顿之后的一个世纪里剑桥大学唯一一位卓越的自然哲学家，但遗憾的是，历史对米歇尔并不友好，用惠特克的话说，他的名字“完全从剑桥的传承中消失了”。
尽管如此，1783年，在牛顿的《自然哲学的数学原理》出版近百年后，米歇尔首次提出了他所谓的“暗星”的存在。牛顿曾假设光是粒子构成的，米歇尔采纳并应用了这种假设。他推断，就像炮弹和苹果一样，光的粒子会被行星或者恒星的引力吸引，它们如果速度不够快，就会被拉回行星或恒星。
当时的人们就知道，从地球表面发射的物体的逃逸速度约为每秒11千米（也就是大约每秒7英里）。但如太阳这般重的天体呢？牛顿本人估计，太阳的质量大约是地球的20万倍，这比实际值小了大概一半。这是用1761年和1769年金星凌日的数据测得的。然后，从太阳在天空中的角大小有可能确定它的半径。一旦有了半径和地日质量比，就能用测得的地球表面物体的加速度，求得太阳表面的逃逸速度。它大约是每秒618千米，几乎是地球逃逸速度的60倍，大约是光速的五百分之一。
米歇尔还想知道比太阳更重的天体的情况。他想到了一个和我们的太阳成分相同，因而密度也相同的恒星，但这颗恒星的尺寸被等比例放大了。在这种情况下，逃逸速度和它的径向尺寸成正比。米歇尔因此计算出，一颗大小等于我们太阳500倍的恒星，其逃逸速度将达到光速。
他认为，宇宙中可能充满了许多这样的暗星。他有先见之明地在1783年写道：
如果自然界真的存在密度不小于太阳、直径超过太阳直径500倍的天体，它们的光就无法到达我们这里；或者如果存在其他体积稍小且天然不发光的天体；在这两种情况下，我们都无法从视觉上得到任何关于这些天体存在的信息。但如果碰巧有其他发光天体围绕它们旋转，我们或许仍然有概率从这些旋转天体的运动中推断出中心天体的存在。
我们现在知道，逃逸速度接近光速时，牛顿的万有引力定律便不再适用。取而代之，我们必须转而借助广义相对论，它考虑到了空间的曲率以及时间延缓。然而，广义相对论针对逃逸速度达到光速的半径的情况给出了完全一致的答案，也就是所谓的事件视界。所以米歇尔的思路是对的，如今我们称这类天体为黑洞，而不是暗星。
回想起来，米歇尔的分析更为惊人。他认为，我们可以通过观察绕暗星运行的天体的运动来发现暗星的存在。这正是天文学家用来证实银河系中心存在黑洞的工具。而且这项观察结果十分重要，因此获得了2020年诺贝尔物理学奖。对于一位如今已被人遗忘的剑桥教授来说，这已经相当不错了。他还发明了首个测量引力强度的实验装置，但在他去世后留给了其他人使用。
不幸的是，米歇尔超越时代的预言消失在了历史的垃圾箱里，这个问题直到人们开始辩论在广义相对论的背景下黑洞存在的可能性时才重新浮出水面。爱因斯坦本人也无视了这种可能性，因为他同样担心，黑洞存在会影响我们对将在这里讨论的物理定律的理解。物理学家花了近50年才承认黑洞存在的理论可能性，又花了25年的时间才得到天体物理学上类似黑洞的天体存在的确凿证据。
广义相对论中的黑洞比米歇尔提出的暗星更有趣、更神秘的地方在于，不仅黑洞的逃逸速度随着天体质量的增加而增加，而且在这个过程中，时间和空间也都发生了显著变化。我会在下一章更深入地讨论空间。这里我将着眼于时间。
正如我们所见，位于引力势阱深处的时钟（比如地球上的时钟），相对于位于引力势阱之外的时钟而言走得更慢。引力势阱越深（逃逸速度也越高），这种效应就越明显。最终，事件视界一旦形成，时间似乎就完全停止了。
从实操角度来说，可以想象一个人落入了一个巨大黑洞的事件视界，并以一定的频率挥着手电筒发出求救信号。当闪光接近事件视界时，你可能看到的闪光之间的时间会变长。你可以把它想象成一台走得越来越慢的时钟。但更重要的是，每次闪光中从势阱中冒出的辐射的波长也会随着波的拉长而变长。闪光会随着时间推移从比如蓝色变成黄色、橙色和红色，然后是红外线、微波和无线电。
这种组合让事情变得格外有趣。第一个事实引出了一个显而易见的悖论：你实际上永远无法看到有人掉进黑洞，因为由于时钟变慢，他们看起来掉落得越来越慢。在他们自身的时间参考系内，他们会穿越事件视界而不会注意到任何奇怪的事情。但对外部观测者而言，他们似乎就在事件视界外定格了。（因此，在俄语中，黑洞最初被称为“冻结的恒星”。这个名字可能没那么吸睛，也许这就是为什么俄罗斯没有以黑洞为主题的科幻电影。）但外部观测者实际上看不到这个定格的最后阶段，因为下落受害者的手电筒发出的光会红移至更长的波长，直到它无法被检测到。因此，这个人在穿过事件视界之前就从我们的视野中消失了。
但如果人们接受了最早由史蒂芬·霍金提出的计算，那问题就大了。霍金认为，把量子力学（我稍后会谈到它）的影响纳入黑洞物理学后会发现，黑洞实际上会辐射出能量，就好像它们是某种以有限温度存在的物体一样。黑洞在辐射能量时会不断变热，辐射得更快，直到在原则上辐射一空。
一个宏观的黑洞，比如太阳大小的黑洞，辐射时间实际上相当漫长，比目前的宇宙年龄长得多。但这段漫长却依然有限的时间确实带来了一个问题。从一个遥远的外部观测者的角度来看，观测一个黑洞的形成需要无限长的时间，因为随着落入的物质越来越接近形成黑洞，这些物质看起来也落得越来越慢，直到看上去悬停在正在出现的事件视界附近。但是，从同样遥远的（长寿的）外部观测者的角度来看，黑洞会在一段有限时间里辐射一空。也就是说，在这个参考系中，黑洞在完全形成之前就会消失。
这的确有问题，但并非不可能。事实上，它表明，在黑洞的整个形成历史和存在的过程中，落入黑洞的所有东西的记录，都可能以某种方式存储在事件视界附近的某个地方。我们将在下一章讨论这种可能性，届时我们将着重讨论空间和黑洞。
出于思考有关时间的问题的目的，这种奇怪的行为清楚地表明，事件视界附近的时间行为需要进一步探索。它还揭示，由黑洞之外的观测者测量的时间，一定与实际穿越事件视界的观测者所测量的大相径庭。
我们自然会猜测，既然时间在事件视界上似乎放缓到了零，黑洞内部的时间也许会反向流动。但事实并非如此。黑洞之内发生之事则更为奇怪。
在狭义相对论和广义相对论中，空间与时间之间的区别不复存在。它们被组合成了一个四维的“时空”。哪个是时间方向，哪个是空间方向，往往取决于观测者。这是对一个我们更熟悉的事实的推广，即在三维空间中定义哪个方向是“上”取决于观测者。澳大利亚的观测者指向天空的方向，和欧洲观测者指的恰好相反。同样，在时空中，一个人感知到的空间方向可能是另一个人的时间方向。
这差不多就是一个人穿越黑洞事件视界时发生的事情。要理解这是如何产生的，可以想想如下情景。我们可以用罗杰·彭罗斯阐述的形式体系来区分过去和未来。我们的过去“光锥”包含了所有可能在任意时刻已经接收到的光信号，从时间的开端一直到我们称之为“现在”的这一刻。未来光锥则囊括了所有我在未来可以通过现在发出的光线进行通信的地方。
那么当我越来越接近黑洞的事件视界时，会发生什么？由于黑洞周围空间的弯曲，我向任何方向发出的光线都开始向事件视界的方向弯曲。随着我离事件视界越来越近，越来越多光线发生弯曲，直到它们直指球形的事件视界表面。在事件视界上，我发出的所有光线都会向内弯曲，指向黑洞内部。当我穿越事件视界时，我的整个未来光锥都会指向径向内部的方向。我没法往上走，只能往下走。我的未来位置只有一个方向——向下，随着时间推移，半径不断缩小（但正如我们所见，这个未来不会很长）。在我进入事件视界之前，我在时间上的运动只有向前。现在我的未来只有向下。空间（也就是半径）已经变成时间了。
我落入时会感受到似乎是从下方升起的光线，这些光线可能在黑洞形成的最初时刻就进入了视界。对于一个假想的黑洞而言，这个时刻可能要多久远就有多久远。从“上面”，我会遇到在我之后进入事件视界的光线，而由于蓝移，这些光线将在任意遥远的未来进入事件视界，而时间则在外部宇宙中流淌。
朝着一个方向望去，我看见了过去。向上看，我目睹未来在我眼前流逝。过去和未来将由它们的方向来区分，而两个方向仿佛都可以到达。时间变得像空间一样。当我在自身的终点前游走，我能区分过去和未来，也能抵达过去和未来，当我无可阻挡地坠落时，我的终点早已注定，无论我做什么，半径都会不断缩小。事实上，与黑洞物理学有关的一个严酷的事实是，我越努力向上，向下的速度反而越快。
从这个角度来看，黑洞内部的时间“空间”多大都可以。尽管从外部看，事件视界似乎只包括一块可能很小的有限体积，但它可能大到足以包含一整个（原则上是无限的），甚至可能在不断膨胀的宇宙。从这个意义上来说，黑洞的内部让人想起C. S. 刘易斯笔下《狮子、女巫和魔衣橱》中的魔衣橱。在这本书中，外面看起来有限大的衣橱，可以通向衣橱里的一个全新的世界。
另一方面，时间是有限的。无可阻挡的向下行进结束于某处，在那里，空间和时间似乎失去了所有意义。在这个“奇点”处，我们所知的物理学土崩瓦解。它通常被认为是一个具有无限密度的点，但它恰恰代表了一个时间上有限、可能在空间中无限延伸的点。
对于落入的观测者来说，奇点代表了时间的终结。时间停在那里，引力变得极大，一旦进入事件视界就无法避免这样的结局。对落入由质量相当于太阳的天体形成的黑洞的人而言，从进入到遇到奇点之间的时间通常比一眨眼还短。而如果是许多星系中心数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞，人们可能有一分钟左右的时间来思考自己的结局。
但这是一种怎样的结局呢？我们不知道。一旦打破空间和时间的概念，我们描绘现象、描述事件和做出预测的能力也就不复存在了。
我们不知道究竟有没有奇点，也不知道对引力的基本物理学理论的新理解会不会改变空间和时间在小尺度上的行为。大多数物理学家都认为会有这样一种变化，或者希望它发生，但宇宙并不是为了取悦物理学家而存在的。
如果的确存在奇点，我们也不知道时间或空间在此处会发生什么变化。
我们甚至不知道“时间的终点”到底意味着什么。
关于黑洞坍缩的这种终极状态及其物理表现，存在各种各样的猜测，最乐观的一种是，人们可以穿越奇点进入另一个空间和时间的宇宙。但在我们发展出一个在黑洞奇点附近的极端曲率下，以及在空间与时间的无限小的尺度上都依然成立的引力理论之前，这一切都还是猜测。
我们终将面对我们自身时间的终点，也就是我们的死亡。这种前景很可怕，以至于世界上许多宗教都通过一些类似黑洞时间奇点的猜测性说法，给人们带来一丝慰藉。他们认为，死亡会将人带入另一个领域，也就是来世，在那里我们经历的时间并不存在。许多宗教还明确预言了“世界末日”，也就是我们这个世俗时代消失之时。从这个意义上说，黑洞中有限的时间终结的可能性似乎也没那么难以理解。
但时间的开端则更具挑战性。它迫切需要形而上学。毕竟，如果没有“之前”，我们要如何理解因与果，也就是我们对世界经验的重中之重？如果时间本身有开端，没什么东西早于存在的出现和我们世界的动态变化，似乎也就没有我们自身存在的直接原因，或者至少没有自然原因了。不出所料，这就让一些人回到了最后的避难所——诉诸上帝，以逃避真正困难的问题。但对于我们其他人来说，面对一个可能的真正的时间起点，则迫使我们应对一系列物理学上的挑战。
这就是近期宇宙学领域面临的困境，我自己的职业生涯大部分时间都在关注这个学科。我说近期，是因为即使一个世纪前还不存在明显的问题。天文学家那时认为，宇宙基本上是静态且永恒的，没有开端，也没有终结。没有证据表明当时可见的宇宙发生过任何大尺度的演化，所以这并非一种不合理的假设。
但在1929年，埃德温·哈勃将他自己用威尔逊山望远镜记录到的数据与其他人的数据结合起来，提供了证据表明，来自遥远星系的光会随着距离我们越来越远而逐渐移向更长的波长。这种宇宙“红移”（前面说过，使用“红”这个字是因为红光代表了可见光谱中波长较长的一端）最简单的解释来自运动物体的多普勒效应，后退物体的光的波长被移到了更长的波长。从表面上看，这暗示着星系之间的距离越大，它们彼此远离的相对速度就越大。
哈勃将他的结果描述为反映星系退行的“视速度”与我们和星系之间的距离成正比，但他并不确定这一现象是否反映了真实的速度或者其他某种效应。
事后看来，对哈勃的结果最简单的解释是，宇宙在所有方向上均匀膨胀。但哈勃从未真正接受这个结论，尽管比利时神父兼物理学家乔治·勒梅特实际上在哈勃宣布其结果的两年前就已经预测到了这种现象。
当时，勒梅特只是比利时一位名不见经传的兼职讲师，但他证明了广义相对论有一个宇宙学的解是均匀膨胀的，也就是说，广义相对论允许宇宙均匀膨胀。他于1927年发表的开创性论文出现在一本几乎没人读过的期刊上，直到英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿在1931年将其翻译成英文，这篇论文才受到了广泛关注。
宇宙可能正在膨胀的概念在当时完全是异端，甚至连阿尔伯特·爱因斯坦（他的方程预测了这种可能性）也拒绝接受，说出了他那句著名的评论：“你的计算是对的，但你的物理很糟。”
1931年，多亏了爱丁顿，勒梅特的研究已经广为人知，他也回应了爱因斯坦的疑虑。此时，他还提出了一种看似更大胆的想法，事后看来这种想法也是必然的。他认为，如果宇宙在膨胀，它在过去就更小。倒推这种膨胀过程，在过去某个有限时间，整个宇宙就是一个无限小的点，勒梅特称之为“原始原子”，而1949年，持怀疑态度的科学家弗雷德·霍伊尔将这个假说称为“大爆炸”。
虽然爱丁顿发现勒梅特的膨胀宇宙学与哈勃的观测结果高度吻合，但将它倒推的必然结果对他却几乎没什么吸引力。爱因斯坦也反对宇宙从这样一个无限致密的奇点出现，在物理上的理由和他反对黑洞的理由如出一辙。
但撇开爱丁顿和爱因斯坦不谈，我们还是要记住，宇宙并不受科学家觉得有趣还是无趣的观点支配。对目前观测到的大爆炸膨胀的经典倒推暗示着，大约138亿年前，宇宙诞生于一个奇点。就像黑洞蒸发的最后阶段的奇点一样，时间和空间在这一点上确实崩塌了。
1965年，罗杰·彭罗斯证明，在广义相对论的背景下，黑洞坍缩的最后阶段一定会产生一个奇点，他也因为这项研究获得了诺贝尔物理学奖。史蒂芬·霍金后来拓展了彭罗斯的证明并表明，在某些能量特性的一般条件下，比如在一个由物质或者辐射主导的宇宙中，循着广义相对论方程倒推，不可避免会在有限的过去到达一个奇点，这个奇点上的时间和空间都无法定义。简而言之，似乎在某一刻不再有“以前”了，至少以我们目前对这个词的理解来看是这样。
大爆炸在流行文化中太过根深蒂固，以至于我们已经无法想象意识到宇宙可能不是静态且永恒的而产生的心理转变。永恒的宇宙可以消除所有难题，不用担心创世或者未来，也不用关心地球上的生命为什么会进化。但如果存在一个开端，一切都会改变。
也许正因如此，从勒梅特第一次提出他的想法至今，宇宙膨胀理论一直都面临多方的阻力。最早的批评来自英国科学家兼科幻小说作家弗雷德·霍伊尔，他给这种想法起了一个他觉得很滑稽的名字揶揄了一番。不幸的是，“大爆炸”这个名字实在太好，于是就此叫开了。无论如何，霍伊尔和同事们一直工作到生命的尽头，试图建立一种相反的理论，他们称之为稳恒态模型，其中宇宙在最大的尺度上是亘古不变的。
尽管霍伊尔可以就观测到的哈勃膨胀的意义据理力争，但1965年（大爆炸的辐射余辉造成的）宇宙微波背景（CMB）的发现给了稳恒态理论致命一击。这一发现不仅为大爆炸膨胀本身的真实性提供了坚实的实证基础，还为我们将观测到的膨胀倒推上百亿年，直到大爆炸后38万年的能力提供了依据，这个时间就是目前观测到的微波背景开始自行演化的时间。
一年后，詹姆斯·皮布尔斯做出了一项强有力的预测，表明大爆炸的膨胀确实能够一直推演到大爆炸发生后的几秒。詹姆斯·皮布尔斯是普林斯顿大学研究团队的一员，这个团队曾着手寻找CMB，但被附近贝尔实验室的两位研究人员意外抢占了先机。
20世纪40年代，拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher）和乔治·伽莫夫认真考虑了大爆炸的想法，他们认识到，倒推可能意味着早期宇宙不仅更致密，温度也更高。在最初的几秒里，温度可能超过100亿度，这样的温度和密度会引发核反应。他们还意识到，这些反应可能让早期的质子、中子、电子、中微子和辐射组成的致密等离子体发生演化，制造出氦和锂这样更重的元素。
CMB的发现证实了热大爆炸的图景之后，皮布尔斯基于测得的CMB温度以及实验室中测量的核反应速率证明，一般来说，宇宙中大约25%的质子（按重量计算）会在大爆炸后最初的几百秒内发生反应，形成氦核。当时（实际上是从那时起），没有任何关于宇宙中恒星演化的模型能解释如何在恒星核的核反应中把超过约2%的原始质子转化为氦。但在最古老的恒星和星际气体中测得的氦的丰度确实是大约25%。这是一项惊人的预测，除了大爆炸之外不存在其他任何可能的解释。
自从第一项计算起，对轻元素的宇宙丰度的测量也都和大爆炸的预测吻合，包括氘和锂，它们的预测值从氘的十万分之一到锂的百亿分之一。除此之外，精确的预测取决于宇宙中质子的密度，而这种密度可以通过CMB的详细特性独立测得。你猜对了，大爆炸核合成预测的质子密度与CMB的测量值完全一致。
简而言之，大爆炸不仅真的发生了，而且预测和观测之间的一致性意味着，我们的确可以将当前的膨胀倒推回大爆炸之后大约一秒。
一秒似乎不算多，但那是因为我们的生活通常都是以分钟和小时计算的。当然，请记住相对论先生阿尔伯特·爱因斯坦的告诫：如果你正坐在滚烫的炉子上，一秒钟就像一个小时那样漫长……
玩笑暂且不论，虽然我们倾向于线性地体验时间，但大爆炸后的一秒在感觉上其实距离 t = 0的时间点无限远。这是因为，物理过程发生的速率往往取决于宇宙的温度，因此，在高温、高密度的情况下，反应速率比低温时要快得多。
宇宙的温度与时间的幂负相关，所以当时间趋近于零时，宇宙的温度趋于无穷大。用10的幂来想，在100亿度和无穷大之间有无数个10的幂。或者考虑时间上10的幂，在1和0之间也有无数个10的（负数）幂。
顺便提一件有趣的事儿，这里有一则鲜为人知的“冷知识”：由于反应速率随温度增加而呈指数增长，并且宇宙在接近 t = 0时，温度飙升，可以估计出，在宇宙历史的第一秒内，粒子之间发生的反应比整个宇宙未来历史中可能发生的反应总和还要多，即使宇宙会永恒不断地发展下去也是如此！从这个意义上来说，我们是在几乎所有美好事物发生之后才出生的。
尽管这个事实可能很神奇，但我想在这里澄清一件事，因为我收到了很多询问这个问题的邮件。在大爆炸的最初时刻，时钟是以同样的速度运行，还是说它们也会加速，甚至可能变慢？答案是，它们会以差不多和我们如今地球上的时钟一样的速度运行。第一秒真的只有一秒那么长，或者至少可以说，第一秒的几乎一整秒只有几乎一整秒那么长。一旦我们回到非常接近 t = 0的时刻，一切就都无法预测了，因为我们目前对物理定律的理解到那一刻完全失效了。（稍后还会详细介绍。）但是在这个假定的瞬间之后，即使宇宙炽热而致密，对于所有的“共同运动的观测者”——被膨胀的宇宙裹挟的、局域静止的观测者——时钟运转的速率都不变。所以，我们在大爆炸中标记为一秒的宇宙时间，真的就是大约一秒。我在这里写“大约”是因为我们不确定 t = 0或者非常接近 t = 0时会发生什么。
我觉得某些科幻小说作家一定想象过早期宇宙中的一名假想观测者，他的新陈代谢速率随着宇宙温度变化。如果我们把经历的事件数量看作一种寿命的标志，这样一位观测者如果从大爆炸的最初时刻活到了一秒“高龄”，可能会觉得他几乎永生了。
但回到我们讨论的重点，在0到1秒之间有无数个10的负数幂，这个事实就说明了获得创世时刻的直接证据的难度。此外，由于反应速率通常和温度正相关，因此与时间的幂负相关，可以想象在 t = 0和 t = 1秒之间可能发生一系列重大事件，而其中任何一个都可能抹去人们希望以某种方式在今天探测到的早期宇宙的有趣残余。
事实上，我们已经知道，在宇宙到达一秒龄之前，发生了一系列有趣的现象。在宇宙诞生后约百万分之一秒时，构成质子和中子的基本粒子夸克首先获得了质量。在更早的时候，它们表现得基本上像无质量粒子。也正是大约此时，夸克首先被限制在我们如今熟悉的粒子中，也就是质子和中子。
再把时间缩小到一百万分之一，四种自然力中的两种，分别是弱相互作用和电磁相互作用，首先开始在性质上分道扬镳。在此之前，它们在本质上无法区分。可以想象更早发生的其他可能的宇宙里程碑，但到目前为止，我们直接探测这些更早时期的物理现象的能力尚受限于我们建造大型加速器的能力。世界上最大的加速器，也就是瑞士日内瓦的大型强子对撞机目前在探索电弱尺度的现象，这是我们现今可以直接进行实验的尽头。
话虽如此，但我之前提到的一种可能性，也就是某些早期出现的现象可能已经抹去了之前发生的所有证据，带来了一个全新的维度，这来自1980年被提出的颠覆性的想法，后来成了现代宇宙学的核心。我说的正是宇宙暴胀。
物理学家阿兰·古斯在思考早期宇宙的粒子物理学时意识到，如果自然中三种非引力曾经在所谓的大统一理论中统一起来，那么类似早期宇宙中弱力和电磁力开始在性质上分道扬镳的那一刻的现象可能发生得更早。通常来讲，在这种被物理学家称为“相变”的转变过程中，一种新的行为将支配宇宙的膨胀。
举个例子，在交通繁忙的城市道路上，即使温度低于32华氏度（0摄氏度），水也不会在路面上结冰，因为它会不断受到来往车辆的搅动。然而，一旦交通放缓，水可能就会突然冻住，形成黑色的冰。在自然熔点以下冻住的水会释放能量，使得新形成的冰在一段时间内不会进一步冷却。
类似的现象可能同样发生在宇宙中。随着宇宙膨胀，一种在性质上类似目前渗透到所有空间、赋予基本粒子质量的希格斯场的宇宙场，会“卡”在我们所说的假真空中，也就是一种并非最低能量的状态下。它终会沉淀到真正的最小值，释放出在这种转变之前储存的能量。在广义相对论中，这种储存在空间中的能量会变成一种“斥引力”，而非像所有其他种类的能量那样具有互相吸引的引力。
古斯意识到，这种情况如果发生，可能会引起宇宙的突然膨胀，这可能会让空间在大爆炸后不久的瞬间膨胀亿万个数量级，他称这种现象为暴胀。他发现，这种暴胀过程能解决宇宙学中几个一直以来悬而未决的问题。直到今天，它不仅是对宇宙为什么看上去是今天这样的一种自然解释，也是唯一一种建立在明晰的物理思想之上的解释。
这里不是讨论暴胀理论细节的地方，我已经在我的书《无中生有的宇宙》
中讨论过了。相反，我们感兴趣的是暴胀对我们关于时间的想法，尤其是关于时间开端的想法，究竟意味着什么。
这个理论第一个有点儿令人沮丧的暗示是，在暴胀之后，也就是相变完成后，空间中储存的能量被释放出来，产生了随后热大爆炸膨胀的初始条件，而宇宙中所有暴胀前状态的痕迹都被抹去了。也就是说，如果我们希望如今还能观测到一些残余的信号，从而得到关于时间开始的那一刻的实证信息，那这种可能性在暴胀假说提出之前就已经很渺茫了，现在更是渺茫得多。
下一个暗示更有趣。事实证明，暴胀不会轻易结束，至少并非所有地方都是如此。局域来说，背景场可以从亚稳态恢复到稳态，恢复的区域会停止指数级快速膨胀并升温。这在那片区域创造了初始条件，发生可被观测到的热大爆炸膨胀。但由于空间在发生相变的区域之间的伪真空区域呈现出指数级膨胀，这些相变的区域在整个空间中所占的比例越来越小。用专业术语来说，相变永远不会“逾渗”，也就是说，它永远不会囊括整个空间。
现代暴胀理论的另一位奠基人、物理学家安德烈·林德（Andrei Linde）发现，这通常会让暴胀变成“永恒暴胀”。亚稳态的场被困于伪真空状态的空间永远在增长。发生相变的小岛和背景的指数级膨胀脱节，并且各自独立演化。每座岛都有一个岛民眼中的“创世时刻”，即相变发生的时刻，背景场的能量以热能的形式释放出来，引发局域的热大爆炸膨胀。但每座岛的创世时刻与空间和时间本身首次在全局范围内出现的时刻完全无关，如果的确存在后者这样一个时刻的话。
这种现象的另一个含义是可能存在所谓的多元宇宙。在背景暴胀膨胀中形成的每一片真正的真空区域，都是一个独立的宇宙，它与膨胀的多元宇宙的其余部分在因果关系上切断了。更重要的是，当相变在不同区域完成时，不同区域的基态可能略有不同（就好像冰晶在窗玻璃的不同位置沿不同方向形成时那样）。如果这种情况发生在不同“宇宙”背景场的配置上，这些区域在实质上就会表现出不同的力、粒子和物理定律。因此，我们所知的物理学，可能只适用于我们的宇宙局域，而不是一种全局现象。
回到时间的问题上，伍迪·艾伦曾说过，“永恒是一段很长的时间，接近终点时尤其如此”。但实际上，如果开端也在永无止境的远方，它同样如此。一个在过去永恒的多元宇宙，与一个仅仅是起源于我们的局域大爆炸的后暴胀时期开始前很久的多元宇宙截然不同。事实上，两者有无穷大的差异。
如果我们局域的大爆炸膨胀并不能追溯到永恒的过去，多元宇宙会不会能够永恒存在呢？如果以包括广义相对论在内的已知物理定律为基础，答案是否定的。古斯和合作者已经证明，如果不考虑与量子引力理论有关的可能的新情况，那么多元宇宙是有开端的。霍金关于我们大爆炸的论点同样适用于多元宇宙的起源。一个奇点似乎不可避免地出现在有限却可能相当遥远的过去。
然而，一旦考虑到与空间和时间本身有关的可能的量子效应，谈及时间可能开始的那一个“瞬间”的问题，一切就都变得无法预测了。
霍金和他的合作者吉姆·哈特尔（Jim Hartle）很早就提出了他们所谓宇宙“无边界的边界”条件。在这幅图景中，人们无法在有限时间内追溯到一个开端。空间可以在没有时间存在的情况下演生
出来，而时间则会从纯粹的空间中演生出来。
我很想说时间会在“开端之后”演生出来，但如果时间根本不存在，这种说法当然就不对了。这是摒弃时间会带来的部分问题。没有了时间，我们对现象的所有直觉观念都不再适用。
另一种可能性我在博士后生涯早期亲身探索过，结果发现我身边的同事兼好友亚历克斯·维连金（Alex Vilenkin）比我抢先一步独立发表了论文，这种可能性便是，暴胀的时空是通过一种被称为“隧穿”的量子过程，从“无”中直接演生出来的——“无”就是说，没有空间，也没有时间。在广义相对论中，量子场论中的一个过程被称为瞬子（之所以如此命名，是因为它可以被认为是一个瞬时发生的过程），描述了一个指数级膨胀的非零空间突然通过量子过程演生出来。
霍金–哈特尔和维连金的图景都表明，量子引力动力学既可以摒弃麻烦的初始时空奇点，又能在此前不存在的情况下产生一个我们这样的宇宙——这也支持了我在《无中生有的宇宙》中说到的一些观点。虽然隧穿概念对创世“瞬间”的定义更明晰，但这两种理论都有一个共同的特性，那就是，我们测量的时间与我们可测量的宇宙是一同演生的，因此，关于我们宇宙“之前”存在什么的问题可能根本就不是个有效的问题。
那么，永恒就是一条只能通向未来，而不会倒退回永恒的过去的单行道了？也许正如你所料，答案是否定的。量子引力的不确定性再次留出了一系列可能。
罗杰·彭罗斯和其他几位独立提出类似主张的物理学家认为，我们目前正在膨胀的宇宙，只是一个膨胀—再收缩的无限循环的最近的一部分，但在我看来这并没有那么令人信服。这幅图景从直觉上来说很吸引人，因为它摆脱了开端，也因为它用一种对称的方式对待过去和未来的时间。但直觉上的吸引力并不能保证科学上的正确性，到目前为止，循环宇宙的概念似乎只对少数物理学家有说服力。而且，这种证据不足的论断似乎最终还要越过奇点，否则奇点似乎就将过去的收缩与未来的膨胀一分为二了。它还需要一些有关未来的物理定律的假设，而这些假设目前也毫无依据。
最近我第一次从阿兰·古斯那里了解到的另一种可能性是，在时空的量子奇点附近，时间本身可能会向两个方向演生，因此识别不出明确的开端，这样一来无限回溯到过去就是可能的。这也有一定的吸引力，但据我所知，这只是猜测，没有任何坚实的理论基础。
所有这一切的结果是，量子引力几乎可以承诺任何事情，但目前带给我们的却很少。然而，量子引力让我们实际上知道了我们所不知的东西，它隐藏了有关时间的重要细节，就像黑洞隐藏其事件视界内的一切那般成效显著。
最近，尤其是在新冠病毒大流行期间，我最喜欢的旅行方式就是回到我偏远的乡村乐园。我们都认为从哪里来就能回到哪里去是理所当然的事情。三维空间完全可以穿越，你可以在任何方向前进或者后退。
但时间却并非如此。我们似乎被无法抗拒的力量一秒一秒地推向未来。过去犯的错，还有过往的欣喜，都只能在我们的记忆中被纠正或者重温。
从广义相对论的角度来看，这种空间与时间的对立似乎尤为奇怪。毕竟，空间和时间彼此交织，正如我们所见，一个人的时间可以是另一个人的空间，这取决于他们的参照系。
那是什么原因呢？有可能进行时间上的往返旅程吗？
我们中大多数人可能都思考过时间旅行的可能性，一些有史以来最好的科幻小说，包括H. G. 威尔斯的《时间机器》
，都涉及造访另一段时间、改变过去或者未来的不可避免的悖论。
这些悖论表明了时间旅行至少有问题的原因之一。如果我回到过去，在我外祖母生下我母亲之前杀了外祖母，那么当我回到现在，我母亲便不可能存在，而我也就不可能存在了。那我最初又是如何回到过去的呢？
这类悖论经常成为科幻小说的素材，比如我最喜欢的《星际迷航》里的情节，或者《神秘博士》里的塔迪斯（TARDIS）
，但如果有时间机器的话，对它而言还有一个不常被提及的问题：时间机器必须同时是一台空间旅行装置。
地球正以每秒30千米的速度绕太阳公转。如果我在现在的位置上回到一分钟前，地球就得在它的轨道上往回移动大约1 800千米，这几乎是横跨北美洲距离的一半。如果是回到一小时前，那地球需要移动的距离则有10.8万千米，大约是地月距离的四分之一。这意味着我从我的时间机器中出现时，会处在一片空旷的空间里——在更粗暴的结束之前猛然惊醒。
出于这些原因，还有我稍后将详细说明的其他原因，许多物理学家认为，时间倒流是不可能的。为我的书《〈星际迷航〉里的物理学》
作序的史蒂芬·霍金曾经说过，时间旅行是不可能的，因为如果这是可能的，那我们早就被来自未来的游客淹没了。但我回答他，有可能他们都回到了20世纪60年代的野外，并没有人注意到。
然而，我们喜欢也好，不喜欢也罢，自然就是它本来的样子，时间旅行是否可能，并不取决于它是否会引出那些困扰我们的悖论。事实上，众所周知，广义相对论方程确实允许能让时间旅行成为可能的宇宙存在，后者具有“封闭类时曲线”，也就是时间上的往返旅程。当然，问题是我们是否或者能否生活在这样一个宇宙中。
广义相对论方程可以用一种极具启发性的特殊形式来表示。时空几何的属性在左，而物质和能量的属性则在右。用这种方式表达以后，就能明显看出，只要我们能写出一条包含封闭类时曲线（时间的往返旅程）的几何方程，就一定有一种物质和能量的数学配置会得出这样的结果。但问题在于，这样一种质量和能量的数学配置在物理上能否实现。或许如你所料，答案是，我们不知道。
我在《〈星际迷航〉里的物理学》中介绍过，这样一种配置在物理上特别容易描绘出来，那就是一个稳定的虫洞——差不多就像穿越空间的隧道一样的捷径，连接着其他相距甚远的点——总能变成一台时间机器。原因在于，如果虫洞的一个“口”在背景空间中保持静止，而另一个口在背景空间中移动，那么位于虫洞两端的时钟就会以不同的速率运转。你可以设想这样一个场景：一个人穿越虫洞，出来时带着一台移动的时钟，这台时钟的运转比虫洞另一端的时钟慢得多，然后他穿越背景空间，回到原来的出发点，在离开之前就到了！
基普·索恩和他的合作者在1988年首次指出，问题在于，如果我们只能用正常的物质和能量来创造虫洞，虫洞就不可能是稳定的。虫洞的每个口都会坍缩，形成一个黑洞，没有任何东西可以在比穿越虫洞还要短的时间里逃脱。
稳定虫洞的唯一方法是用一种奇异的新型能量，也就是所谓的“负能量”材料来填充虫洞，而有说服力的论据表明，人们即使在原则上也无法在实验室中创造出这种能量。这些论证很有说服力，但也并非绝对。还是一样，要解决这个问题，就要知道如何理清弯曲时空的精确相对论量子特性，但我们还不具备这样做的技术。结果便是，对那些向往过往美好时光的人来说，或许还有希望……
最后，我们的宇宙真的有末日吗？《圣经》或许喜欢这样一种未来，但数据显示并非如此。观测到的宇宙膨胀似乎正在加速，因为存在一种渗透整个空间的非零的能量。
这种加速暗示着一种暗淡却永恒的未来。之所以永恒，是因为如果空的空间的能量保持不变，目前观测到的膨胀就永远不会停。之所以暗淡，则是因为在这种情况下，我们现在能观测到的所有星系，最终都会以超过光速的速度远离我们。（这在广义相对论中是允许出现的，因为星系在它们的局域参考系中是静止的，是我们和遥远星系之间的空间在膨胀。狭义相对论仅仅告诉我们，物体在空间中的运动速度不能超过光速。但是在狭义相对论为讨论空间本身的膨胀而拓展的版本，也就是广义相对论中，空间本身的膨胀并不受限于此。）
在这种情况下，宇宙的其他部分在数万亿年的时间尺度上都会消失不见，剩下的只有我们自己的银河系（那时，银河系将和其他几个星系相撞，大体上变成椭圆形，而不是现在可爱的旋涡形状）。我们可以说现在能观测到那么多星系的自己是幸运的，因为数万亿年后，行星上的天文学家只能观测到一个星系。最终，银河系中的恒星都将燃烧殆尽，而银河系中心的黑洞可能会变大，吞噬掉星系中其他所有质量。但如果霍金是对的，黑洞也终将在更远、更远的未来辐射至消失，我们现在所处的空间只剩下一个冰冷、黑暗、看似空无一物的宇宙。
你可能已经注意到了最后几段中的几个“如果”。本着查尔斯·狄更斯的精神，这种暗淡的未来是“可能”的未来，因为我们不知道目前观测到的空无一物的能量，也就是空间本身，是一种基本属性，还是像在我们宇宙的早期历史中驱动假想的暴胀阶段的能量一样，仅仅是一种暂时的属性。
如果这种能量消失了，未来宇宙的膨胀可能截然不同，这取决于宇宙在比我们目前能测量到的更大的尺度上的未知几何形状，还取决于空间本身的未知属性。虽然目前测量到的空的空间的能量有一天可能会消失，但谁敢说不会有更小的空间剩余能量存在呢？谁又能断言这种能量是正的还是负的？如果它是负的，那么宇宙终将坍缩。
1999年，我和同事迈克尔·特纳（Michael Turner）发现，如果找不到关于宇宙最基础的几何结构以及宇宙最基本的真空能的无穷的数据，或者没有一种在量子水平上完全阐明自然中的物质和力（包括引力）的结构的“万有理论”，就完全不可能斩钉截铁地断言现在正在膨胀的宇宙的终极未来。
由于前一种可能性大概需要无限长的时间来积累，而在我看来，后一种可能性几乎同样微乎其微，这意味着，我们宇宙的最终未来，以及时间本身，可能永远笼罩在迷雾之中。