如何解决“时光倒流”带来的因果悖论?

*以下根据高山大学和荔枝播客联合制作播出的播客栏目《科学相对论》节选整理而成。更多详细内容，请下载荔枝播客App，搜索“科学相对论”收听。

※音频剪辑丨荔枝&李嘉

※整理丨李嘉

※编辑丨朱珍

本期主播

张双南

高山大学顾问委员会委员

中国科学院

高能物理研究所研究员

中国科学院大学教授

程巍William

高山大学2019级学员

达尔文细胞创始人

火箭派航天创始人

科幻电影的登峰造极之作

William：

从科学家的角度来讲电影，尤其是科幻电影，可能和我们普通人有很大的不同。
今天我们来聊两部电影，一部是好莱坞大片《星际穿越》，另一部是去年大火的《流浪地球》（敬请期待下期内容）。这两部电影都是里程碑式的，票房也都不错。
虽然两部电影讲述的都是拯救人类的故事，但我觉得可能由于文化背景不一样，它们表现出来的人性、科学观点都有很大的不同。
我个人比较喜欢《星际穿越》，它更具艺术性，我尤其喜欢它的主题音乐。情节上虽说不是那么的悲壮，但却发人深省，有很多泪点，看过之后总想看第二遍。《流浪地球》虽然我也很喜欢，但是主角为了非常明确的目标牺牲自我，感觉有点悲壮。

张双南：

我很同意你的观点。《星际穿越》也是我近年来特别喜欢的一部电影，它是硬核科幻电影的登峰造极之作。最后主题音乐响起的时候，我一直坐在那里，没有离场，完全沉浸在音乐中，又把电影情节和主题回顾了一遍。
另外，它对人性的描述和诠释，我特别喜欢。它体现的人性和价值观是全人类的。
当然《星际穿越》还有特别传奇的一面，电影的科学顾问基普·索恩在电影公映3年后，获得2017年度诺贝尔物理学奖。
基普·索恩专门写了一本同名书《星际穿越》，来解读这部电影里的科学，谈整个电影创作的心路历程。实际上，是基普·索恩构思了这部电影，他和一个记者朋友多次沟通关于电影的构想，并在朋友的牵线下找到了诺兰导演，最后，才促成了这部《星际穿越》。

为什么要进入黑洞？

William：

为什么科学家想要讲述一个星际穿越的故事呢？

张双南：

我没有问过顾问本人，不过引力是基普·索恩的专业研究领域，他对引力、黑洞理论做出了非常大的贡献。获得诺贝尔奖就是由于他所率领的团队成功地探测到了引力波。
电影里通过虫洞探测到远处的引力波，通过引力传递信息，这是电影的背景。电影里讲了一个非常有趣的科学主题——到黑洞中去。
在电影故事里，世界末日即将来临，科学家们制定了两个计划，其中Plan A 是把人类都带走，离开地球。希望能够克服地球引力，获取黑洞数据，从而使人类离开地球重建家园。
为什么到黑洞中去？因为黑洞里面有量子数据。黑洞中心引力非常大，这说明广义相对论引力理论起作用；但黑洞空间尺度非常小，说明量子力学起作用。
但目前的科学理论中，相对论和量子力学理论其实看起来是有矛盾的，没办法统一。要想统一这个理论，就需要有数据来验证这个理论，
这个数据哪里有？黑洞中心。所以要到黑洞中心把数据拿来验证这个理论。这样我们对引力规律才有更深入的理解。
现在我们对电磁学理论理解得很清楚，对通讯信号的产生和屏蔽运用自如，但是我们对引力和引力波理解还不够，不能屏蔽引力波。使用航天火箭将整个人类送出地球，将消耗巨大能量且耗资高昂。如果我们有科学理论能够克服引力、控制引力，就可能离开地球。

William：

从理论上能够找到可行性吗？

张双南：

科学永远有很多未知的因素，不能说一定做不到这一点。我们目前的科学理论还不够，对于引力的理解还不够，以后如果我们对于引力理解足够深入的话，说不定就能够做到。
电影里面老教授就提出这样的科学理论，但还有不确定性，其中的一些参数需要拿到黑洞数据来验证。
一开始，科学家们认为Plan A实现的可能性很小。因为人类从来没有进入过黑洞，想要拿到黑洞数据可能会有很多事情发生，比如进入不了黑洞，进入后可能被黑洞中心强大的引力撕碎，即使有信心拿到了数据，但又无法传递回来等等。
科学探索都是这样，探索性越强的科学研究，失败的可能性就越大。
所以，电影中科学家们有个Plan B，其实就是把人类的DNA、物种胚胎、种子等信息带到另外一个地方，重新开始。

时间穿越的因果悖论怎么解释？

William：

我其实觉得电影最后有一个bug，库伯在高维空间，给他的女儿发信息，后来又作为宇航员飞到黑洞高维空间，实际上有点类似于祖父悖论，这是一个无限循环的事情。

张双南：

时间穿越这件事情是会带来因果悖论的，确实存在这样的问题。但是《星际穿越》电影里面的处理还是比较巧妙的。
电影开始埋下了一些伏笔，由于有这些异常的现象，才使得父亲开着车带着女儿到NASA基地去。到电影结束时，他已经在黑洞里，我们才发现原来电影开始的那些异常是他到了黑洞之后在向他女儿发信息。
电影把前后串起来，处理得比较巧妙，不觉得有什么悖论的地方，但本质上还是存在这个问题。
学术界也知道这个问题，现在科学理论实际上是不禁止时间穿越的，我们能够构造出一些体系或方法光速旅行。
科学顾问基普·索恩和导演诺兰在他们开始合作电影之前就达成协议：
首先，电影天马行空，但不能和我们已知的科学事实和科学原理相违背。
第二，现在科学还有很多未知的东西，可以在这些未知的地方发挥，但也是从已知的科学原理推导，不能随意。 所以科学顾问解释穿越这件事情，就是在科学原理之上构造了一个系统，把虫洞放在黑洞的附近，经过虫洞、黑洞这么倒一圈，你就会变得年轻。那么问题来了，如果反复倒腾，甚至到你出生之前了，也不行。这是一个矛盾。
怎么解决这个矛盾？
现在有一个解决方案讲到，每倒腾一次，虽然你年轻了，但是你到了另外一个平行宇宙，所以不影响这个宇宙的事情。我给时间增加了更多的象限维度，这样就不违反因果关系了。
当然也有人认为，因果关系是人的经验，是我们觉得有因果关系，而不是科学规律。
我举个例子，蚂蚁在桌子上爬行，蚂蚁知道它沿着这条线在平面走，它会一直走很远，不会掉下去。但在它走的过程当中，我扒拉一下，它会掉得很远，偏离方向。按照因果律，它沿着这个方向走，一定能走到那头，是不可能偏到一边去的。
但这是它二维的生活，我是高维的生物，我可以改变方向，让它觉得这件事情不符合因果律。

不过，电影的导演还是坚持了因果律。

William：

我最近看两本书讲因果实际上是不存在的，世界万物都是相关性，没有真正的单一的因果关系，是很多因素交杂在一起产生的结果。我们可能要更高维度去看这个事情，而不是简单的因果关系。
另外，时间是真实存在吗？时间可能也是我们人类在三维空间中的主观感受，目前我们所知道的只有时间和熵增是不可逆的，如果我们能够改变熵增，时间是不是也会有所改变，或者从更高的维度改变？您觉得这个是一种理论还是一种猜想？

张双南：

一种猜想。现在的物理学规律，时间确实是不可逆的，熵确实是在增加的。当然这都是指的封闭系统。
如果是开放系统，比方刚才讲蚂蚁爬行是一个封闭系统，被我一个外力扒拉开，原有系统的那些规律就不成立了。如果因素比较多，关系就会变得更复杂，可能不是单向的。
现代科学只有几百年，和整个人类历史、整个宇宙的历史相比是很短的一段时间。我们对科学的认识仅仅是刚开始。未来，我们对自然、对人、对各种规律的认识，要有非常大的发展。

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