科幻作品中，乘坐時光機器穿越到過去和未來的說法有理論依據嗎？
乘坐時光機器穿越時空，到過去和未來逛一逛，是現代科幻玄幻影視作品的熱門主題，也是一些世界之謎之類長盛不衰的話題。
除了曾風靡氾濫一時的眾多古代穿越劇純屬扯淡之外，一些真正有些核心的科幻作品，吃瓜群眾們在觀摩之後，常常會引起一些思考：這種坐著時光機穿越到過去未來的情況在未來有可能實現嗎？有真正的科學理論支撐嗎？
現在我們就來討論一下這個話題。
可以說，赫伯特·喬治·威爾斯是科幻穿越概念的鼻祖。
這位兼具政治家、社會學家、歷史學家的英國著名小說家，早在1895年就發表了《時光機器》這部膾炙人口的科幻小說。
除了古代的神話，這部小說似乎更接近現實的激發了人類穿越過去未來的夢想。
《時光機器》講述的是哥倫比亞大學副教授亞歷山大·哈德金博士，喜歡鑽研稀奇古怪理論，為了挽救橫死的未婚妻，他鼓搗製造了一個時光機，乘著這個時光機，到未來穿越的故事。
哈德金博士先後到達2005年、2007年的紐約，再後來竟到達802701年的未來。
他看到了2005年人類已經虛擬化交流，開始討論殖民月球；2007年人類已經殖民月球，結果破壞了月球平衡，軌道開始降低，月球越來越大，即將墜落到地球上，月球剝落的碎片已經轟擊曼哈頓。
他調整機器匆忙逃離，結果到了802701年，也就是80萬年後。那時的人類經過了冰河紀的浩劫，地球已經滄海桑田，倖存的人類有兩種：活在地面友好溫和禮貌的伊洛人和穴居地底怪獸樣、以捕獲伊洛人為生的莫洛人。
哈德金博士在那裡經歷了一些奇異和驚險經歷後，逃離了滿目瘡痍、黑暗和恐怖的世界回到現實，再後來他又開始了時間旅行，但不知所蹤。
威爾斯生活在英國工業文明和科學技術發展高峰時期，許多新機器的發明大大提升了人類改造自然的能力，使廣大民眾充滿了對科學的崇拜和期待，似乎看到了機器能夠實現人類一切夢想。
這種思潮激發了威爾斯的文學想象力，他激情澎湃寫出了這部小說。
小說更多的是對階級社會提出了一些思考，對人類發展提出了一些警示，對人類的終極出鏡表示出關懷，得到了社會共鳴。
小說雖然對科學的發展速度有些高估，但裡面的一些想象還是有較高的預見性的。比如探索開發月球，在他的小說問世60年後，人類的探測器就開始探測月球，而過了74年，人類的腳步就踏上了月球。
但人類對太空的探索和開發並沒有那麼快，現在已經到了2020年，人類不但沒有殖民月球，就是在月球上踏過腳的人類也依然限定在50年前的12個人。
至於時光機的執行原理，就更是雲裡霧裡沒有一點依據了，完全是憑空想象神話傳奇，與神話不同的是沒有對神仙的依賴，而是對科學發展前景的嚮往。
後來威爾斯與愛因斯坦有過交往，我想他後來的作品會越來越受到愛因斯坦理論的影響吧。
這種作品被打上了科學的標籤，更為現代人所接受。
那麼什麼時候，這個穿越開始與科學捱了點邊了呢？
愛因斯坦狹義相對論和廣義相對論的相繼問世，似乎給了這個虛無縹緲的科學幻想提供了一些理論的根基。
在狹義相對論中，愛因斯坦論述了速度時間膨脹的原理；在廣義相對論中，愛因斯坦又論述了重力導致的時間膨脹。
在時間膨脹問題上，愛因斯坦的論述橫跨了狹義相對論和廣義相對論兩個領域，這充分說明了時間膨脹在愛因斯坦整個理論體系中的重要地位。
何謂時間膨脹？
狹義相對論中認為，所有相對於一個慣性系統移動的時鐘都會走的慢一些，這個效應可以由洛倫茲變換精確的描述出來。
狹義相對論測定時間膨脹遵循的公式為：t‘=γt=t/√［1-（v/c）］
式中，t‘是時間膨脹效應值；t是根據某個觀測時鐘，兩個本地事件之間時間間隔，稱為固有時；v是第二個時鐘相對第一個時鐘的移動速度；c為光速；γ=1/√［1-（v/c）］為洛倫茲因子。
根據這個公式計算，移動中的時鐘會走得較慢，但這種慢在低速中很難察覺，當速度到達光速的十分之一，也就是每秒3萬千米時，時間膨脹效應才會開始明顯起來。
在速度時間膨脹效應中，還會出現尺縮效應，就是在運動方向上距離縮短了，綜合起來就是尺縮鐘慢。
廣義相對論認為，引力場中，擁有較低勢能的時鐘會走得較慢，比如地球上，高處的觀測者會覺得地面的時鐘走慢了，地面的觀測者會覺得高處的時鐘走得更快。
也就是說塔頂或者高山上的人時鐘會走得更快些，天上的宇航員或者衛星上的時鐘就更快些。
廣義相對論引力時間膨脹計算公式為：t=Tx√（1-2GM/rc）
式中，t為重力場引起的時間相對變化數值；T為觀測者時間；G為引力常數，取值6。67x10^-11N·m/kg；M為天體質量；r為天體半徑；c為光速。
我們可以從引力時間膨脹公式中得出時間膨脹程度，與質量的開方成正比，與半徑的開方成反比。即天體質量越大，時間膨脹越大；半徑越小，時間膨脹越大。
這兩個時間膨脹效應經歷了100多年的科學檢驗，早已經被證實真實存在，而且嚴格遵循這兩個方程的變換。
事實上，不管是速度時間膨脹還是引力時間膨脹，都與質量對時空的扭曲相關，並且成正比例關係，因此它們是殊途同歸。
1971年，科學家們把兩個銫原子鐘分別放在向東和向西飛的兩架飛機上，並對比美國海軍天文臺的時鐘。
根據愛因斯坦上述兩個理論，由於飛機是在運動，因此原子鐘會走得慢一些；同時由於飛機在高空，引力比地面小，原子鐘又會走得更快一些。但兩者相比，引力膨脹效應更大，總體上飛機上的原子鐘時間相對會快一些。
實驗的結果完全符合兩個時間膨脹方程預期。
現在，發射到太空的一切飛船都要遵循這個理論，來調校飛船的時間，以求以地球時間同步，否則導航和目標就會失之毫厘謬以千里。
GPS全球定位系統以及我國的北斗星系統都必須遵循這兩個方程進行調校，否則就無法對地面進行精準導航定位，每24個小時就會有約11。4米誤差。
因此，如果宇航員在宇宙飛船中執行，他們所經歷的時間與地球人類的時間流逝感覺上一樣，但實質上會發生偏差。
在近地軌道，由於受地球引力時間膨脹效應影響更大，受速度時間膨脹影響更小，總體上就會時間過得更快，宇航員就會比我們老得快一些。
但這種時間膨脹由於地球引力並不大，且飛船速度也不快，影響是十分有限的。
比如假設有宇航員在GPS衛星同等速度和高度執行一年，其在20000千米高空，受到的重力只有地球四分之一，根據引力時間膨脹效應公式計算，飛船時間會比地表快一千億分之五十三，每年時間會比地表快千分之十七秒；而由於飛船以每秒4千米速度執行，根據速度時間膨脹效應公式計算，時間會比地表慢一千億分之八，飛船時間就比地表慢千分之三秒。
這樣裡外一折，實際上這位宇航員就會比地球上的人過快了千分之十四秒。也就是說，一年下來，這位宇航員會比同齡人更老千分之十四秒。
所以，這種低重力和低速狀態下，時間膨脹效應對於一個人的壽命是可以忽略不計的。
但根據這個理論，在高重力狀態下或者高速狀態下，時間的膨脹就會很明顯了，甚至明顯的讓人無法接受。
在《星際穿越》這部科幻片中，宇航員庫柏駕駛的飛船在黑洞附近，時間膨脹達到了地球的6萬多倍（1個小時等於地球7年），這是因為那個黑洞具有1億倍太陽質量，因此當它們距離黑洞視界距離並不太近時，膨脹效應就已經非常大了。
而速度時間膨脹也和引力時間膨脹效應一樣，速度越大才能夠效應越明顯。
當速度達到光速的十分之一時，根據速度時間膨脹效應公式計算，時間膨脹效應達到1。005倍；光速一半時，時間膨脹效應可以達到1。1545倍。也就是說，在一般光速的飛船中過了一年回來，地球已過了1。15年。
而速度達到光速的99%時，時間膨脹效應可以達到7倍。這以後每提高兩個9，比如達到光速的99。99%時，膨脹效應就會增加一個數量級，就是達到70倍；達到光速99。9999%膨脹效應達到707倍。
如果速度達到光速99。99999999999999%，時間膨脹將達到707萬倍。
這樣，如果一位宇航員在一艘接近光速的飛船中執行，時間就會比地球人過得慢很多。
一個在光速99。99%或光速99。999999999999%的飛船中過了一年回來，地球已經過去了70年或者707萬年，這樣是不是這個宇航員就到了未來了呢？
或者說，在一個黑洞附近極端重力條件下呆了若干時間回來，地球也已經滄海桑田了呢？
這就是所謂時光機穿越到未來的理論根據。而且從理論上來說，這在未來是有可能實現的。
但這並非科幻中的那種穿越，只不過是宇航員們的時間膨脹效應而已，而且膨脹之後，他們是無法再回去看望同時代的親人的。
他們過的時間感覺和地球人一樣，一天也還是一天，只不過回到地球，才發現已經滄海桑田。
那麼，科幻中的穿越回到過去又是依據什麼理論呢？
我們排除赫伯特·喬治·威爾斯的《時光機器》，因為他那個時代沒有這方面理論依據。現在真正有科幻核心的回到過去主要攀附超光速和蟲洞穿越理論。
超光速能夠回到過去，主要攀扯的依據應該是建立在光速傳播理論基礎上的。
我們知道人們觀察到的事物都是依靠光來傳遞的。比如看到100光年遠的恆星，是100年前發出的光芒，因此我們看到的而這顆恆星是100年前的樣子。
這樣就有了一個假設，如果我們以超光速向這顆恆星飛去，就會看到它越來越早的樣子。
比如我們用1年時間到達這顆恆星，出發時看到的是這顆恆星100年前的樣子，而到達那裡，我們看到的就是199年前的樣子了，追回了99年。
這樣似乎就回到過去了。
還有蟲洞穿越，理論上可以實現比光速快很多倍到達目的地的速度，也可以追回過去。
我們不去評價這裡面有多少荒唐和混亂的邏輯，這種想法至少有兩條不可逾越的槓槓：一條就是光速不可超越，第二條是祖孫悖論。
這只是速度時間膨脹效應的兩個槓槓，至於蟲洞穿越後面再說。
愛因斯坦認為，光速是這個世界上真空中最高速度，不可超越。
這種不可超越是指有靜止質量的物體，一個粒子（質子、電子）也不行。
這個世界上有幾種達到和超越光速的現象，都不屬於這個“不可超越”範圍。
比如引力波、電磁波被認為與光速同速。這是因為引力波可能的傳播媒介引力子也是無靜止質量的；而電磁波的傳播媒介就是光子，可見光只是電磁波譜中一段很窄的波段。
宇宙膨脹整體疊加超過光速，這是時空本身的膨脹，並非有靜質量的物質膨脹；量子糾纏的超距作用瞬時發生，比光速不知快了多少倍，但也不是物質的傳遞，而是量子的一個性質，其超距作用的機理還有待進一步深入發現。
光子本身沒有靜質量，而且一出生就是在光速中運動，只有犧牲（吸收），不會停止。
有靜質量的物質，隨著速度的增加，動量會越來越大，趨於光速動量會趨於無窮大。
什麼是無窮大呢？就是整個宇宙能量質量都不是無窮的，如果一個粒子達到了無窮大，整個宇宙的能量全部用在加速上都無法做到，這不是一個悖論嗎？
愛因斯坦狹義相對論揭示了質量和能量相互轉化的等效原理，發現了警醒世人的質能方程。
質能方程的表示式為：E=MC
式中，E為能量，M為質量，C為光速。
根據這個方程，演化出來的質速關係表示式為：M=m/√（1-v/c）
這個公式說明，速度v越快，m質量越大，速度趨於光速，質量會趨於無窮大。
我們來進行一個簡單計算，如果我們乘坐的飛船靜質量有1000kg重，在速度達到光速的99%時，動質量會達到一個什麼狀態。
1000/√（1-297000000/300000000c）=1000/√（1-0。9801）≈7092kg
也就是動質量達到靜質量的7倍多。
速度時間膨脹關係是小數後面每增加兩個9，時間膨脹效應增加一個數量級；質量速度關係也是一樣，速度每向光速靠近兩個9，動質量也將增加一個數量級，這樣速度達到光速99。99%時，1噸的飛船動質量就達到了70噸，到達光速的99。999999999999%時，這艘飛船動質量量就有707萬噸了。
因此這個宇宙所有的能量都無法驅動飛船達到光速，什麼飛船和人員能不能承受這種速度極限之類的問題，我們今天就不去扯了。
祖孫悖論說的是不管用什麼方法讓人回到過去，就會發生時空崩潰的矛盾。
淺顯的道理是，如果某人能夠回到過去，就有條件可以殺死自己的祖父，也有的說祖母或者姥爺姥姥等。不管怎樣說，無非就是要說明如果某個傻蛋回到過去殺死了那個生他父母或者生他的人，就不會有他的未來，也不會有他能夠回到過去，這種事本身，就是一個不可能存在的悖論。
但如果那個傻蛋硬要說，我回到過去殺我的祖父母或者外祖父母，我傻呀？我不殺不就是了。
其實還是這個傻蛋沒弄明白，這個悖論的實質不是說傻蛋回到過去會不會殺掉他的直系長輩，而是說不管任何人回到過去，都會對過去產生擾動。
這樣，過去就已經不是過去的過去了，歷史就會改變，未來也就不成其未來，那個未來有沒有這個傻蛋，或者說這個傻蛋有沒有回去的必要就完全不可預測了。
比如傻蛋回到過去拉了一泡屎撒了一泡尿，或者喝了一口水，就會在那個時代留下一些微生物什麼的。根據蝴蝶效應，在一個動力系統中，初始條件微小的變化，在混沌狀態中透過放大效應，很可能發生巨大的連鎖反應，未來就存在巨大的不可預測變數，還有傻蛋的未來嗎？
這就是所謂的時空崩潰。所以，無論怎麼說，回到過去都是不可能發生的事情。
再來說說蟲洞。實際上，蟲洞就像黑洞一樣，是愛因斯坦廣義相對論引力場論中的一個解，因此也是愛因斯坦的一個預言。
事實上這個預言目前還沒有被發現和證實。即便真的有蟲洞的存在，也是在極端引力場中，時空極端扭曲導致的時空旋渦中出現的一個連線不同時空的洞穴，人們把它叫做愛因斯坦~羅森橋。
實際上這個蟲洞不像橋，更像一個穿過山嶽的隧道，火車汽車從山的腹地穿過，本來要迂迴一天的行程幾分鐘甚至幾秒鐘就過去了。
所以蟲洞又被稱為是時空隧道。
如果真得有這個時空隧道存在，人類又有能力能夠穿越，我們就可以在很短的時間裡到達看起來很遠、本來要很長時間才能夠到達的地方。
比如距離我們1萬光年的地方，我們很可能透過這個時空隧道只要1天就穿越過去了。這比光速快多少倍？
但這個穿越就像火車汽車鑽過隧道一樣，該開多快還是多快，無非是走了近道，與光速穿越什麼的無關。
還有我們常常議論的曲速引擎、時空摺疊什麼的也差不多是這個道理。如果今後人類真的能夠駕馭這些技術，到達目的地的時間有可能比常規方式的光速還要快很多，但又與超光速無關。
因此，根據現有理論框架，活在未來或者比地球人快那麼一點點時間老去是有可能的，但與影視中穿越到未來那種狀況毫無相似之處，更無法穿越回到過去。
有趣的是，著名的物理學家、科普作家霍金在生時，曾經做過一個時光晚宴試驗。
2009年6月28日，他準備了一個豐盛的晚宴，這個晚宴的特別不是邀請當時的任何人，而是邀請未來穿越的人來赴宴，結果一個人也沒來。
他是在嚴格保密前提下，晚宴過後第二天才發出邀請並向媒體公開的。這樣特意的設定可以避開現代人的視線，並保證能夠邀請到的只有未來人。當然前提是的確有人能夠穿越的話。
這是一個睿智的設計。這個設計雖然並不一定做到了科學意義上的嚴謹，但霍金認為，如果真的有未來人穿越，是應該前來赴宴的。由此霍金認為，未來是沒有人能夠穿越過來的，否則不會錯過這樣一次晚宴。
結論：現在所有的科幻作品，穿越回到過去的描述，都是牽強附會沒有嚴謹理論依據的，至少在目前理論框架下，是不可能實現的。
就是這樣，歡迎討論，感謝閱讀。
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