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内容介绍：
现在被称为“黑洞”的现象早在1783年就有描述,当时那些理论被当作纯粹的空想而被人无视——看不见的星星听起来过于难以置信,所以没有被人严肃对待。直到射电天文学、相对论、扭曲空间的数学模型得到发展，那些看不见的星星的真正意义才逐渐清晰。
 
正如约翰•格里宾所述，“几乎所有的天文学家都会把黑洞看做我们宇宙的构成要素”。很多人相信黑洞具有通向其他时代、其他地点的类似通道一样的功能，而且其中还蕴藏着宇宙大爆炸的奥秘。史蒂芬•霍金将其视为虫洞，连接母宇宙和婴儿宇宙。新兴宇宙、中子星和X射线、白矮星、类星体、脉冲星，相关理论细节将一一陈列在这本扣人心弦的书中。
 
主编推荐：
 
电视剧《来自星星的你》大结局了，教授没有消失也没有回老家，而是进入了虫洞！虫洞到底是什么地方？现实生活中真的有这样的概念吗？虫洞和时光机有区别吗？时光旅行真的存在吗？请看科普大家格里宾为您解析黑洞、白洞与虫洞的宇宙空间之谜——都敏俊去哪儿了？
《寻找薛定谔的猫》《寻找多重宇宙》《寻找时间的边缘》——格里宾都寻找到了什么？？
现代物理学的想象究竟有多奇特？世界的本质、空间与时间的奥秘是什么？时间旅行的科学依据是什么？建造时间机器的两种路径在哪？时间旅行有规则吗？跟随格里宾的脚步，走进科学的世界。
时间旅行是一个古老的梦想，也是科幻小说中的常见主题。
瑰丽的想象，大胆的猜测，缜密的推理，在时间的边缘寻找过去与未来。
 
名家推荐
格里宾的写作一贯有趣，使艰涩的概念通俗易懂。
——麦克•罗文-罗宾逊《泰晤士文学副刊》
 
使人着迷……格里宾用流畅轻松的笔触、专业科学的新闻风格撰写了一本发人深省的书……给读者以安全感，好比手里拿着足以通过迷宫般地域的导游图。
——汉斯•克里斯蒂安•冯•贝耶尔，《纽约时报》
 
约翰•格里宾的书可读性强,条理清晰而且有趣，在才华上本书也不输于霍金的书……读格里宾天文学方面的书使读者感觉好像小孩被允许熬夜。
——约翰•维尔克斯，《洛杉矶时报》
 
 
 
目录
 
致  谢.....................................................1 
 
第一章古代历史.................................... 1
让牛顿生！；站在巨人的肩膀上；三条定律和一个引力理论；测量时间；穿越太阳系；黑洞探索先驱；波动与粒子：奔向21世纪科学
 
第二章扭曲的空间与时间................. 31
从欧几里得到笛卡儿；超越欧几里得；几何学时代的来临；相对论几何学；爱因斯坦引力论窥探；几何学的相对论；史瓦西奇异解
 
第三章致密的恒星............................. 61
矮伴星；简并星；白矮星极限；物质的终极密度；在中子星内部；超越中子星；脉冲星之谜；兹威基是对的：中子星揭秘
 
第四章黑洞很多................................. 97
红移与相对论；射电星系；类星体；宇宙能量站；X射线星；天体能量站；最初的候选者；大量的可能性
 
第五章时间边缘的黑暗...................121
新时空地图；旋转的黑洞；奇点规则；击败宇宙检查员；黑洞是冷的；暴涨的视域；离心困惑；单程时间机器
 
第六章超空间连接.............................155
爱因斯坦连接；突破超空间；连接各个宇宙；蓝移块；分割蓝移墙；超空间旅行；虫洞工程；制造反引力；弦驱动飞船：一个可行的建议？
 
第七章建造时间机器的两种路径.....187
悖论和可能性；时间循环和其他扭曲；超光速时间旅行者；哥德尔的宇宙；提普勒的时间机器；虫洞和时间旅行；化解悖论
 
第八章宇宙连接.................................217
吹泡泡；爱因斯坦常数的消失；一个振荡的宇宙？；黑洞反弹
 
专业术语  .................................................233 
 
参考文献  ................................................245  

 
精彩书摘
 
超光速时间旅行者
 
 
乍看之下，这一特殊的相对论似乎可以阻止超光速（FTL）旅行。如果你以低于光速的速度出发然后越走越快，时间也越来越慢，在达到光速的时候，时间停止。你不能走得更快，因为光速本身就是一个无法逾越的屏障——如果你试图提高速度，但是没有剩下的时间。不过根据方程，在屏障的另一面是一个奇怪的反时针世界。在那里，如果你以高于光速的速度前进，时间就会缓慢地倒退。这其中有一个确定的逻辑——毕竟，当你接近光速的时候时间行驶速度更慢，当达到光速的时候时间静止，那么当你超过光速的时候时间倒退（比静止还慢）。在超光速粒子世界中，前进的速度越快，时间倒退的速度就越快，而且这种粒子拥有的运动能量越多，它移动的速度就越慢（即，增加能量通常会推动一个粒子接近于光速屏障，从屏障的任何一侧都一样）。因为一个超光速粒子越走越快就会损失能量，这时时间就会向后倒退。令人惊讶的是，这一奇怪的可能性是在爱因斯坦发表自己的相对论之前刚刚提出的。在20世纪初，阿诺德•索末菲（曾任哥丁根大学的编外教师，然后成了德国亚琛工业大学的教授，并且在慕尼黑获得了量子理论先驱之名）认识到麦克斯韦的电磁学理论要求超光速（FTL）粒子在损失能量的时候加速。他在1904年公布了这一结论，1905年发布的特殊理论也很大程度上基于麦克斯韦的理论，因此其中包含关于超光速粒子的相似描述不足为奇。但是，直到20世纪60年代都没人更多地关注过这一观念，它更多地被认为是一个方程游戏，而不是一个严肃的现实可能性。这种超光速粒子的假定存在是许多物理学方程中固有的正负对称的另一种体现，十分类似于允许有反粒子存在的对称情况。当反粒子概念第一次提出的时候，没有人认真对待，把这种对称当作方程的数学上的巧合。现在，反物质是物理学的一个常规部分，通常上它是在类似于欧洲粒子物理研究所的粒子加速器之中制造出来的。但是，超光速粒子不是已知粒子的反粒子对应物；它们（如果存在的话）本身就是一个全新的可能性。
如何才能发现超光速粒子？最明显的观察地点是在宇宙射线簇之中——间中的粒子撞击进入地球大气层上部。当一个宇宙射线粒子与一个普通的原子粒子在大气层上部相撞的时候，就会产生一个能在地面上观测到的次级粒子簇（事实上，正电子第一次就是以这种方式被发现的）。如果以这种方式产生的粒子中一部分是超光速粒子，它们将会在时间上倒退旅行，不仅在射线簇中的大多数粒子撞击大气层上部之前，而且在初始宇宙射线（原始宇宙射线）撞击大气层上部之
前，到达地面上的探测器。
宇宙射线研究人员已经扫描了在常规的宇宙射线簇到达之前他们仪器中显现出来的这种前兆信号痕迹记录。他们已经发现一些符合要
求的信号，但是，其中没有能够证明超光速粒子存在的明确证据，虽然20世纪70年代早期曾出现过一些令人激动的结果。1973年定居在澳大利亚的研究员罗杰•柯莱和菲利普•克劳奇发现在他们的宇宙线探测器中显示有超光速粒子先兆信号的强有力证据。他们的结果被送到我当时就职的《自然》杂志，并且在1974年发表，我依然记得许多物理学家的惊愕和新闻记者的欣喜。那些结果依然如故，但是它们不再被当作是超光速粒子的证据，因为随后的一些实验未能找到与其他宇宙射线簇相关的先兆特征。一定是其他一些东西在1973年的恰当时间（或者错误时间，这取决于你的观点）启动了澳大利亚探测器，这一点在物理学界中被广泛地接受。但是，这并不意味着对超光速粒子的寻找结束了。
获知超光速粒子存在的另一个方法是，它们（至少是它们中的一部分）是否带电。严格地说，爱因斯坦的光速极限说指的是真空中的光速。这就是著名的常量c，因为比c移动速度慢的粒子不可能被给予足够的能量，以超过真空中的光速。但是，当光穿过像一片玻璃或一箱水这样的透明物质时，光的移动速度要慢于c。因此，比方说，“普通的”粒子在水中的速度要高于光速，但不会超出极限速度值c。当一个带电粒子（例如一个电子）这样做，它会辐射出光。就像一个快速移动的物体突破声障产生一个音爆，一个快速移动的带电粒子突破光障产生一种“光学臂”。这是苏联物理学家帕维尔•切连科夫于1934年发现的，并且以他的名字命名为“切连科夫辐射”。一个带电的超光速粒子，甚至要比真空中光的移动速度要快，还会发出切连科夫辐射，因为它有可以辐射的能量。计算结果表明，这种粒子在瞬间几乎会损失所有能量，最终变为零能量并且以无限的速度运动，这样在某种意义上它们会沿着世界线出现在任何地方。如果那条世界线与另一个粒子发生关联，超光速粒子可能因此暂时地从碰撞获取能量，并且发出另一道闪光。唉，从未在水箱中发现过合适的闪光，在多个实验室中进行搜寻也无果。
共识是不存在真正的超光速粒子。根据传统观点，超光速粒子是被忽视的方程的人工产物，被认为没有真正的物理学意义。斯坦福大学的物理学家尼克•赫伯特把情况都概括在他的著作《超光速》之中。他说“大多数物理学家认为超光速粒子存在的可能性只比独角兽存在的可能性高一点”。可是，它们是物理学定律所允许的，一名物理学家格里高利•本福德将这一观点用到了自己的小说《时间景象》之中，取得了很好的效果，其中还提到了平行世界的存在。然而，甚至在本福德的虚构世界之中也没有时间退行的普通物体（更不用说是人）的物理运输。如果我们想要实现这一目的，我们就要提出改变时空结构的某种方法。虫洞具有明显的可能性；但是还有另一种可能性，在某些方面来说，另外的可能性更为简单。这涉及旋转，它源于这样一种认识，如果整个宇宙正在旋转，那么它本身就是一个时间机器，在这个意义上，它包含了封闭的类时回路。
 
 
 虫洞和时间旅行
 
卡尔•萨根需要一些合理可信的噱头，以取悦他的小说读者们，这引起了一些连锁反应，在物理学团体和整个世界广泛传播。诺维科夫对封闭类时曲线的含义感兴趣已经很多年。当加州理工研究小组认识到他们为了适应萨根虚构需要所设计的这类星际之门可以被用作时间机器的时候，对于索恩来说，与诺维科夫取得联系是很自然的，对于在莫斯科的诺维科夫小组来说，参与查明物理学定律是否能够以索恩所谓的“一种合理方式”解决封闭类时曲线存在的问题，这也是很自然的。加州理工学院小组直接参与了由两大洲的七名研究人员组成的这个研究。索恩将他们称为“俱乐部”；还有一些其他俱乐部，包括纽卡斯尔研究小组，雷德蒙特（美国圣路易斯的华盛顿大学）和马特•维瑟，他们都对封闭类时曲线含义很感兴趣。本章下面讨论的大部分内容都基于苏美俱乐部的研究——从他们将星际之门转变为时间机器的方法开始。
一旦你有一个运转中的虫洞星际之门，你甚至不需要广义相对论来告诉你如何将其变为时间机器。要记得，如果有两个同卵双生的双胞胎，其中一个待在家里，而另一个以接近光速的速度外出旅行然后回到家，那么双胞胎中外出旅行的那个人就会比待在家里的那个人年轻。运动中的时钟转得慢。如果具备了高度文明的工程资源，我们就可以设想以某种方式抓住虫洞的一个洞口，并且让其开始这样的旅行。当然，要抓住虫洞洞口这样飘忽不定的东西并非易事，但是有两种方式可以实现。首先，这种虫洞洞口的重要特征之一就是具有很大的质量并且具有相对很强大的引力场——这是必须要有的，这样才能充分扭曲时空，制造出一个进入虫洞的开口，这个开口必须足够大才能让人和宇宙飞船通过。用来吸引一个引力天体的是另一个引力天210 寻找时间的边缘：黑洞、白洞和虫洞体；可以想象在虫洞口前面悬挂一个大物体（可能是一个行星），移动这个大物体以便虫洞口紧随其后，就像是一个古老的故事，驴跟在一个它总是够不到的捆在大棒上的胡萝卜后面跑。或者，我们可以想象一下，给虫洞洞口小心地加电（当然，不能改变“喉咙”的几何机构），并且在电场的帮助下拖动它。毫无疑问，高度文明还有其他高招，但是目前这些就已经足够了。
一旦有办法拖动虫洞的一端，你就可以带着它以接近光速的速度进行长途旅行，然后将其带回到靠近虫洞另一端的地方。这可以是往返另一个星球的旅行，或者仅仅是使得可移动虫洞口在周围打转，直到你在移动参照系之中的时钟和虫洞口家中的时钟之间建立起一个明显的时间差。更麻烦的是，甚至当我们将移动的虫洞口带回来的时候，那个时间差还是存在的。它是与移动虫洞口相关的空间区域的真实物理属性；它要比未移动的虫洞口年轻，因而是后者的过去。
因为时空是以虫洞几何结构的方式连接在一起的（时空布局与虫洞相关），这意味着虫洞将会起到时间机器的作用。一个旅行者跳入已经移动的虫洞口，他将会在与移动虫洞口的时间相对应的时间出现在静止虫洞口。假定移动虫洞口旅行得足够远并且速度足够快，在两个虫洞口之间创建了一个小时的时间差。一个旅行者在时钟显示为12点的时候从静止虫洞口出发，并且用10分钟的时间去穿越到达移动虫洞口，当旅行者的手表和静止虫洞口时钟都显示为12点10分的时候他将会到达。然而，如果旅行者现在跳入到移动虫洞口之中，当他或她出现在静止虫洞口的时候（对旅行者而言几乎是一瞬间），那里的时间将会是11点10分。旅行者现在可以快速穿越到达移动虫洞口，到达那里的时间是11点20分，并且再次跳进去，在10点20分出现在静止虫洞口。整个程序可以不断重复，一次一次地跳跃回到从前，回到两个虫洞口之间的时间差形成的时候。与提普勒的时间机器一样，这种虫洞只允许它们最远回到时间机器创建的时候；不过，还有一点与提普勒的时间机器一样，它允许进入未来的无限旅行，在这种情况下，
进入静止虫洞口并出现在移动虫洞口在旅行者的手表上只显示为一瞬间，但是对外部宇宙来说是1个小时。
最大的实际困难是你需要快速地将虫洞口移到远处，这样就可以建立起一个有效的时间差。即便是以99.9%的光速旅行10年，也仅能使移动虫洞口的老化减慢9年10个月，在虫洞两端之间创建一个9年10个月的时间差。但是，这些实践性并不是目前研究时间旅行理论的物理学家的主要关注点——基普•索恩说过（可能会有点过于悲观），虽然物理学定律允许建造时间机器，但是在未来几千年建造一个时间机器的几率是“零”。他和他的俱乐部成员（以及其他俱乐部）所关注的是，在使时间旅行成为可能的物理学定律框架内，如何找到一系列符合逻辑的方程式去消除一些著名的时间旅行悖论的物理学基础。如果时间旅行真的是可能的，如何才能不违背因果关系？或者，换句话说，如何才能修改这些悖论？
化解悖论
该俱乐部的方法有两个关键特征。首先，它与人无关，人可能会改变计划或者在是否想要谋杀外祖母的问题上说谎。这很合理，因为他们感兴趣的问题涉及时间旅行的基础物理，在不引入人类心理学的情况下基础物理就已经十分复杂。如果当我们对理解基础物理感到很满意的时候，那么将会有充裕的时间考虑固执的人类观察者的作用。在使用最简单可行的物理系统去发掘方程式中所隐藏事实的传统之下，该俱乐部研究了当撞球穿过时间隧道的时候它们之间相互作用的
方式。
俱乐部解决时间悖论的第二个特征是认为宇宙只会允许那些自洽的方程式存在。这一点也是基于两个理由。如果我们允许一些不一致的解决方法，那么一切都是徒劳的，而且试图理解理论物理也是没有意义的；此外，甚至在一些简单的日常物理系统之中，求相关方程式解是非常普遍的，这些解从数学的角度来说是允许的，但在物理学上是不可能的，而且是可以被忽略的。这通常发生在包含有平方根的方程式上。例如，著名的毕达哥拉斯勾股定理表示为一个方程式，实际上它告诉我们三角形每个边的边长都可以是负的；但是我们知道这个“解”在物理学上是不可能的（也就是说，不存在这样的三角形，两个边分别是3米和4米，而第三边是负5米）从而忽略了这个解。同样的，该俱乐部认为只有那些“整体上自洽”的时间旅行方程式的解才是可以接受的。
通过观察等同于外祖母悖论的撞球，我们可以了解所有这些意味着什么及其如何提供一些关于宇宙运行方式的全新而深入的了解。我们设想一下建造一个两个虫洞口挨在一起的时间隧道。如果一个撞球以正确的方式被射入时间隧道的适当虫洞口，它会出现在另一个虫洞口的过去，并且有时间在进入时间隧道之前穿越区隔空间进行自我碰撞，将较早版本的自己撞到一边。因此，它从未穿越时空，从未发生过碰撞，因此较早版本的撞球进入时间隧道，等等。这是一个自相矛盾的解决方法，俱乐部认为这种方法是不能接受的——宇宙不可能以那种方式运转。
为什么他们确信摒弃这一自相矛盾的解决方法是可以接受的？原因是他们发现总是有另一个解，它能够给出一个从相同初始情况开始的自洽的总体解释。引申到毕达哥拉斯定理，如果该方程式只有一个解，说三角形一边的长度应当是负的，我们将不得不在表面上接受它，即使我们不理解这意味着什么；然而，因为有两个解，而且因为我们完全了解三角形边长为正数，所以我们可以接受在物理学上有意义的解决方法而忽略其他解。同样的，俱乐部只接受关于时间旅行问
题的自洽解而忽略其他解。
这类撞球问题的一种自洽解是，当球接近时间隧道并且被出现在时间隧道虫洞口的同一个撞球击偏，后者将第一个球撞击到时间隧道的另一个口之中。当第一个撞球出现在时间隧道的另一个虫洞口，它与较早版本的自己相撞，将其撞入时间隧道之中（图7.7）。索恩、诺维科夫和他们的同事发现这类撞球问题不仅有一种自洽的解决方法，而且他们所考虑的每一个这类问题都有无数的自洽解决方法。图7.8显示出这是如何发生的。在这种情况下，撞球径直从时间隧道的两个虫洞口之间通过。或者是这样，假定当撞球位于两个虫洞口之间的中间位置，它被一个出现在静止虫洞口的快速移动撞球剧烈撞击。“初始”撞球被撞击斜向一边，经过隧道并且成为“第二个”球——但是，在撞击中，它偏移回撞击前的轨道。就一个远距离的观察者看来，仍然像是一个单独的撞球平稳地径直从两个虫洞口之间通过；你可以想象一些类似的情况，包括由时间隧道周围的撞球形成的两个、三个或多个回路。似乎有不止一个可接受的方式可用于描述撞球的行为。
 所有这些让人想起宇宙在量子水平上运行的方式。这有个现实选择的问题，正如著名的薛定谔猫案例中所体现的。撞球在接近时间隧道之前是完全正常的，然后以许多不同的方式与隧道系统相互作用，在以一种完全正常的方式再次出现在另一侧之前形成态叠加。如果事实上一些量子理论学家已经得出处理这种多元事实的方法，索恩所谓的相似撞球/虫洞问题的自洽解决方法“过多”，会十分麻烦。
他们所使用的方法是理查德•费曼于20世纪40年代研究出来的，就是众所周知的“历史求和”方法。在经典物理学之中——牛顿物理学——一个粒子（或一个撞球）被认为沿着一个确定的路径、唯一的世界线或“历史”行进。在量子物理学中，由于量子的不确定性，不存在这种确定的轨迹。量子力学仅涉及可能性，并且十分精确地告诉我们一个粒子从一个地方移动到另一个地方有多大可能性。粒子如何从一个地点到达另一个地点是另一个问题；通过累加从起始位置和终端位置之间所有可能路径的概率，粒子接下来出现在哪里的可能性可以推测出来。粒子好像知道所有可能的路径并且决定了在哪个基础上往哪里行进。由于每一个轨迹都被称为“历史”，通过累加每一条轨迹的概率推测粒子的行为方式，这种方法就是“历史求和”方法。
当然，所有这些都是在原子和原子以下的量子水平上适用的。量子不确定性是很小的，而且对我们日常生活的影响微不足道，因此真正的撞球遵循着经典轨道。但是在时间隧道虫洞口之间的区域，实际上可穿越时间隧道的存在提供了一种不确定性，在一个更大的范围内图起作用。该俱乐部发现历史求和的方法在这一新情况下能够产生很好的效果，描述了关于通过时间隧道的撞球的一些问题的解决方法。如果你以这样一种初始状态开始，球从远处移近时间隧道，历史求和方法提供了一系列独特的可能性，它告诉你何时和何地球可能会出现在另一侧，避开包含封闭类时曲线的区域。它不能告诉你，撞球是如何从一个地点移动到另一个地点的，正如量子力学也不会告诉你电子是如何移动进入原子的。但是，它精确地告诉你在一个特殊地点找到撞球并且在时间隧道撞击之后朝着特殊方向移动的可能性。此外，球沿着一个经典轨迹开始并且沿着一个不同轨迹结束，这种可能性为零。如图7.8所示，从远处观察者不会看到球由于与自身的碰撞而发生偏转，除非你近距离地观察，否则不会发现特殊情况。索恩认为“从这个意义上来说，在每个实验之中，球‘选择’遵循的只是一个经典解决方法；而且遵循每一个解决方法的可能性都被单独地预测”。还有一个意外收获。在历史求和方法之中，严格上讲我们毕竟不能忽略自洽的解决方法。这些解还是存在的，但是它们对于求和来说贡献很小，以至于对实验结果没有任何真正的影响。
所有这些还有一个更为奇怪的特征。因为在某种意义上来说撞球“知道”对其敞开的所有可能的轨迹——所有可能的未来历史，它沿着世界线任何一点上的行为从某种程度上来说都依赖于未来对其敞开的路径。因为这种球通过时间隧道可以遵循许多不同的路径，但在不通过时间隧道的情况下它可遵循的路径就少很多，这就意味着，原则上来说，有时间隧道与没有时间隧道的情况相比，表现是完全不同的。虽然评估这种影响的确是十分困难的，根据索恩的说法，原则上来说，在尝试建造这种时间机器之前对撞球的行为进行一系列测量，并且从测量结果得出未来建造一个含有封闭类时曲线的时间隧道是否会成功，这应当是可能的。他说，这是“关于时间机器的量子力学的一个一般特征”。
索恩总结了到目前为止的俱乐部研究成果，他的结论是：在存在时间机器的情况下物理学定律的表现似乎是合理的，以至于“允许物理学家在没有严重错位的情况下继续他们的智力活动”，即使时间机器似乎给予宇宙“一些令大多数物理学家反感的特征”。根据物理学定律，建造时间机器是可能的，在不违背因果关系的情况下进行时间旅行是可能的。就如诺维科夫于1989年在苏塞克斯大学的讲话中所提出的，“如果有一个非自洽的问题解决方法，还有一个自洽的解决方法，那么自然将会选择自洽的解决方法”。
尽管如此，这不是黑洞和宇宙故事的结局。在那些并不反感这些想法的少数物理学家之中，越来越多的研究人员正在调查比目前为止我已讨论的任何事物都小的虫洞以何种方式在量子水平上作为一个时空“泡沫”存在。为什么这种“微小的”虫洞能引人关注，一个原因是，如果存在这种微小的虫洞，那么就可以抓住一个微小的虫洞并且以某种方式将其扩大到肉眼可见的尺寸，从而建立起一个时间机器。但是这一方法好像显得没有意义，事实上微小的虫洞就可能解释宇宙自身的存在。这一解释再次涉及费曼的历史求和方法。
  
科幻小说中的时间穿梭
 
常识告诉我们时间穿梭是不可能的。常识还告诉我们，如果认为运动的物体会缩短并且变得越来越重，而且穿梭到遥远星球又返回地球的宇航员会比待在家里的双胞胎兄弟年轻一点，这是无稽之谈。对于宇宙运行所遵循的规律来说，当涉及时间穿梭的时候，常识不一定总是很好的指南，其他事情也是一样，重要的是弄清那些规律真正告诉我们的是什么，而不是我们想要它们说些什么。但是，那并不意味着我们可以对哲学家们所提出的时空穿梭疑问和在我们的概念常识中隐含的疑问完全置之不理。如果时间旅行是可能的，肯定意味着需要抛弃一些关于现实本质的坚定信念——物理学家不得不这样做，在过去几百年间这也不是第一次。
通过“时间穿梭”，我指的是两种方式的时间穿梭，某一过程将会使你踏上行程并且返回到你出发时（或之前）的同一地点。这样一次时间旅行据说可以形成一个封闭类时曲线。从“常识”的角度来看，我们可以想象一下，如果他或她进行时间旅行并且在时间旅行者的母亲出生前设法以某种方式（或非故意导致的）使其外祖母死亡，对于时空旅行者来说将会发生什么，就能生动地说明这类时间穿梭的问题。在那种情况下，时间旅行者就不会出生。因此，时间旅行是绝不会发生的，外祖母也不会死亡。那么，时间旅行者是在哪种情况下出生的？
 
悖论和可能性
用更科学的术语来说，封闭类时曲线的问题可能违背了因果关系。因果关系是一种假定关系，它表明原因总是要先于结果的。如果我扳动房门旁边墙上的开关，灯会在我扳动开关之后点亮，而不是之前。甚至在相对论的常规框架内，它允许以不同速度运动的观察者看到以不同顺序发生的或发生在不同时间的相同事件（有时候），虽然观察者正在运动，他也绝不会看到房间内的灯光在我扳动开关之前亮起。想象一个正在移动的火车车厢的中间位置有个光源。不同的观察者可能提出不同意见，从光源发出的两道光是否会同时到达车厢的两端，或者哪一道光会首先达到适当的一端；但是，所有观察者都同意，光束在到达墙面之前离开了光源。大多数物理学家相信因果关系是自然界不可违背的规律；但是事实上，他们没有证据证明。没有人发现因果关系被违背，但是，与宇宙监督“规则”相同，事实上物理学规律中并未要求因果关系是真实的。因果关系规律不过是科学术语中所表达的我们关于时间的常识性观点。
那么，我们如何解决“外祖母悖论”？有两种行之有效的可能性，科学家、哲学家和科幻小说作家（最容易理解的）就此展开了广泛的讨论。首先，过去发生的事情都是不能侵犯的，这已经确定为一种僵化的模式。所有已经发生的事情，包括你穿梭回到过去拜访外祖母，从这一观点来看，它已经发生了并且不能改变。因此，无论当你出发开始时间旅行的时候意图如何，你所做的事情都无法改变过去。假定你抱着谋杀的意图出发，当你瞄准外祖母的时候枪将会射偏；或
者，可能经过一系列偶然性事件，你事实上根本见不到她。关于这种想法的一个小变化是时间旅行和改变过去是可能的，但是没有任何重大意义。例如，如果你回到过去砍倒一棵树，在那个地方又会长出另一棵树；如果你在你外祖母还是一个年轻姑娘的时候谋杀了她，你的外祖父可能就与她的妹妹结婚，这样你所继承的基因物质会出现微小的变化；等等。在弗里兹•雷伯的“改变战争”系列故事中，有两个对立的时间旅行者团体，他们想要利用自身的优势改变过去击败对方。虽然他们尽一切可能尝试，但是他们做出的改变好像影响力很小，并且遵照雷伯故事人物中提到的“现实守恒定律”，这些改变在通过时空连续体传播很远之前“就灭失了”。这种外祖母悖论解决方法最让人担心的是，它在多大程度上消除了我们拥有自由意志和真正独立行动的能力。如果过去是如此严格意义上的固定不变，还伴随着封闭类时曲线，未来可能也是完全固定不变的，而且，纵使我们决心要改变事件的结果，我们对时间流动的感知不再像逼真的行动表现那么真实，也不像用于制作电影的静止图片一个接一个投放到屏幕上面时所产生的时间流那么真实。
在某种意义上可以将时间视为一种不能改变的固定维度，赫伯特•乔治•威尔斯在他著名的小说《时间机器》中第一次提出这一想法。在爱因斯坦发布相对论之前10年，甚至在闵可夫斯基用四维空间几何学描述这一特殊理论之前很长时间，威尔斯就提出“在时间和空间三维的任何一个维度之间都没有差别，除非我们的意识观念随之发展”。小说中虚构的时空旅行者将我们所视为三维立方体的东西描述为一个固定的和无法改变的包含时间的四维实体，因此具有自己的长度、宽度、厚度和持续时间。但是，问题是，如果在四维空间中一切固定不变，那么时空旅行者如何对故事后面参与的事件产生影响呢？根据威尔斯对这些冒险活动的辩护，一切都是固定不变和预先确定的，包括时间旅行者对未来的干预。这使得生活失去了大部分乐趣。解决外祖母悖论的第二个可能性更加耐人寻味。在亚原子层面上，宇宙受到根据机会和概率规律运行的量子力学的支配。此外，还有一个老套的（而有效的）方法可以理解这意味着什么。一个放射性190 寻找时间的边缘：黑洞、白洞和虫洞原子核的衰败，伴随着释放一个粒子从而变成另一种元素的原子核，这完全取决于机会。对于每一种特殊类型的放射性元素，都存在一个特定的时间长度，在此期间原子有50:50的精确机会衰败。这一时间
间隔就是元素半衰期。量子过程对概率性的这种奴隶般的服从让爱因斯坦感到特别受辱，他那句名言是“我不相信上帝会跟宇宙玩掷骰子”；但是所有证据（并且其中大量证据）都显示从量子层面上来说概率确实是占有统治地位的。一个经典的思想实验能够说明这一点的奇怪含义，这个实验是由诺贝尔奖获得者量子物理学家埃尔温•薛定谔设计出来的，设计一只假想猫被关闭在带有一瓶毒药、某种放射性物质和一个盖氏计量器的盒子里面。设备用电线连接，如果放射性材
料衰败，盖氏计量器就会被触发并且发出一个装置粉碎毒药瓶子然后杀死猫。如果我们开始这一实验，关闭盒子盖，然后等待放射性衰败发生的这一50:50精确机会，薛定谔的问题是：在我们打开盒盖之前盒子中的猫是什么状态？
常识告诉我们，猫或是活着或是死了。但是，量子物理学告诉我们像原子放射性衰变这样的事件只有在进行观察的时候才会成为现实。这就是说，量子物理学表明在这种情况下放射性物质是否发生衰变在打开盒子之前是不确定的。在我们查看盒子之前，放射性材料是一种所谓的状态叠加，一种衰变和未衰变可能性的混合状态。一旦我们查看盒子，其中一种状态成为现实，另一种状态消失。但是，在我们查看盒子之前，盒子中的一切，包括猫，都是一种状态叠加。因
此，量子力学一直以来都被描述为同时具有死亡和活着两种状态——在半个多世纪的时间里，这一理论通过了每一项实验。
怎么会这样？这一困惑的一个可能解决办法是多世界假说。它认为常识告诉我们，猫或是活着或是死了。但是，量子物理学告诉我们像原子放射性衰变这样的事件只有在进行观察的时候才会成为现实。这就是说，量子物理学表明在这种情况下放射性物质是否发生衰变在打开盒子之前是不确定的。在我们查看盒子之前，放射性材料是一种所谓的状态叠加，一种衰变和未衰变可能性的混合状态。一旦我们查看盒子，其中一种状态成为现实，另一种状态消失。但是，在我们查看盒子之前，盒子中的一切，包括猫，都是一种状态叠加。因此，量子力学一直以来都被描述为同时具有死亡和活着两种状态——在半个多世纪的时间里，这一理论通过了每一项实验。怎么会这样？这一困惑的一个可能解决办法是多世界假说。它认为，每当宇宙（“世界”，在这里可以用这个术语）面临量子层面的道路选择时，事实上它都具有两种可能性，分裂为两个宇宙（经常被描述为“平行世界”，虽然事实上，精确地说，它们实际上是垂直的关系）。在这幅画面中，当盒子中的放射性物质面临衰变或不衰变的选择时，它不会进入一种对叠加状态的犹豫不决。而是，整个宇宙分裂为两个宇宙。在一个世界中，物质发生衰变，当你打开盒子的时候发现一只死猫。在另一个世界中，物质并未衰变，你发现了一只活猫。两只猫，而且都是“你的”猫，是完全真实的，在另一个世界中的对应物完全不知情。
量子力学的多世界解释绝不会被所有物理学家重视。即使这样，有趣的是，在重视这一解释的少数人之中的几个是近期最伟大的物理学家，包括约翰•惠勒（虽然他一度曾提出疑问）、基普•索恩和史蒂芬•霍金（他认为他能够从多世界变化的视角解释宇宙起源）。当然，这种可能性恰好能够解决外祖母悖论——接着发生了什么呢，时间旅行者可能回到过去并且导致可怜的年迈外祖母死亡（或者，是可怜的年轻外祖母），但是这一行为产生了一个新的世界树分支，时间旅行者不存在而且从未出现过的一个宇宙。当时间旅行者在外祖母死亡后再次随着时间前行，他或她将会移动到时间树的这一新分支，到达一个完全不同于他出发时的世界。
科幻小说经常会探索这一可能性。一个最著名的例子是莫尔•沃德的小说《迎接大赦》。在那个故事中，主人公最初生活在一个与我们十分相似的世界，只是南方取得了美国内战的胜利。他通过时间旅行回到过去研究美国内战中一场著名的战役，并且在不经意间引起了一系列事件，改变了战争的过程并且最终导致北方联邦军战胜了南方联盟军。当他随着时间继续前行的时候，他进入了“我们的”时间。但是，他原来的世界可能仍然存在，遵循着自己的时间轨迹。这个题目在《回到未来》系列电影中也有探讨，尤其是（即使令人迷惑）在三部曲的第二部中。
因此，时间旅行至少以两种方式发生，而不会违背因果关系——如果因果关系过去就已经不可违背地固定下来，可以建立一些新宇宙使得任何调整都与过去的事件相适应。还有另一种新奇的可能性——在一个时间环内事件就是它们自身的原因（或者，如果你愿意，一些事情会没有原因地发生）。这里，科幻小说再一次提供了一个经典案例。