宇宙时空穿越指南

★对入门级读者特别友好的“时空穿越”科普书。看不懂相对论、《时间简史》，甚至看科幻电影也觉得烧脑，没关系，这本书用尽可能浅显、直接的语言为你科普时空穿越到底是怎么回事。
★丰富的插图和照片。100多张插图，包含宇宙景观、原理图解等，直观、易懂。
★独特的包装形式。非传统的铝箔包装，形式感十足，“穿越指南包”里包含书 时空明信片一套 旅行船票一张。
★中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授苟利军审校推荐，权威可靠。

这本书为您准备了关于时空穿越的一切，包括并不限于时光机、虫洞、黑洞、平行宇宙、量子力学……宇宙探索计划也列好了：先离开地球，看看太阳系其他天体，再飞出太阳系，去往银河系之外，看看宇宙尽头有什么……
我们能穿越时空吗？技术难点在哪里？穿越之后会发生什么？遥远的宇宙空间有什么……让世界范围内久负盛名的科学家来给我们解答吧！无论是科学理论，还是实验、推理，这本书都结合现实生活，做了通俗易懂、深入浅出的阐释。书中有大量图解，方便理解理论知识；还有精美的宇宙空间、天体概念图，可以欣赏神秘浩瀚的宇宙美景。
准备好了就出发吧！

1966年出生于日本长野县。本科毕业于京都大学理学部，随后于广岛大学修完博士课程。
曾任东京大学助教、约翰斯·霍普金斯大学天体物理学研究员、名古屋大学理学部副教授等职，现为日本高能加速器研究机构基本粒子原子核研究所教授。专攻领域为宇宙结构的形成和进化、宇宙学基础理论、引力透镜、宇宙微波背景辐射等。著作有：《宇宙的诞生与终点》《宇宙外面有什么》《可见的世界是幻觉》《现代宇宙论》等。
2012年，获得第17届日本天文学会林忠四郎奖。

第1章

1写给希望回到过去的你
1.1如果我们能够回到过去
1.2未来的记忆
1.3哆啦A梦的时光机

2前往未来
2.1去往未来的时光机在理论上是可能的 
2.2相对论中的浦岛效应是什么 
2.3微弱的浦岛效应经常发生 
2.4从天而降的缪子是时间旅行者 
2.5去往遥远宇宙的观光旅行 
2.6宇宙往返旅行计划与1g宇宙飞船 
2.71g宇宙飞船与浦岛效应 
2.8发射火箭一般需要大量的燃料 
2.9不携带燃料的宇宙飞船 
2.10仍有许多待攻克的技术难题 
2.11以10年为单位的往返旅行 
2.12以20年为单位的往返旅行一一340年后的世界 
2.13以30年为单位的往返旅行一一4500年后的世界 
2.14以40年为单位的往返旅行一一6万年后的世界 

3回到过去
3.1能够回拨时间的时光机 
3.2光无法笔直前进 
3.3时间与空间的扭曲带来重力 
3.4黑洞周围的时空扭曲现象 
3.5虫洞 
3.6能否制造出人能够通过的虫洞 
3.7从物理学角度来讲，虫洞是可能的 
3.8虫洞会成为时光机 
3.9为了回到过去，将时间轴做成圆形 
3.10认真研究时光机制造的研究者 
3.11利用激光的时光机 

4回到过去是否矛盾
4.1关于回到过去这件事的矛盾所在 
4.2霍金的时序保护猜想 
4.3波钦斯基悖论
4.4诺维科夫的自洽性原则 
4.5台球的运动轨迹将无法预测 
4.6仅存在于虫洞出口和入口之间的轨道 
4.7将人类送到过去 
4.8剽窃自己的书 
4.9量子力学或许可以解决矛盾 
4.10多个现实共存之时 
4.11在人类的观察下，两个世界不会共存 
4.12量子力学的多世界诠释中的球体轨迹 
4.13多世界诠释和祖父悖论 
4.14剽窃自己的书并不奇怪 
4.15时光机与人类的自由意志 

第2章 

5写给想尽可能去远方的你
5.1我们离不开地球 
5.2奔月旅行
5.3火星之旅 
5.4金星和水星之旅 
5.5木星和土星 
5.6天王星、海王星以及不再是“行星”的冥王星 

6去往太阳系之外
6.1飞出太阳系 
6.2离我们近的恒星 
6.3宜居带 
6.4比邻星b 
6.5去往比邻星的旅行计划 
6.6特拉比斯特-1 
6.7去往特拉比斯特-1的旅行计划 
6.8开普勒-90 
6.9参宿四 
6.10鹰状星云和“创生之柱” 
6.11脉冲星 
6.12天鹅座X-1 
6.13银河的中心 超大质量黑洞 

7去往银河系之外
7.1去往旁边的星系 
7.2 M78星云 
7.3 M87星云 
7.4呈现出各种形状的星系 
7.5室女座超星系团和巨引源 
7.6宇宙大尺度结构 
7.7可观测的宇宙的尽头 

8宇宙究竟有多宽广
8.1海的那边是什么 
8.2人总是以自己所在的位置为中心进行思考
8.3宇宙到底在哪里 
8.4如果宇宙无限大 
8.5“无限”比任何数字都要庞大 
8.6在无限广阔的宇宙中有什么 
8.7宇宙中存在多重现实的可能性 
8.8量子力学展示的多重宇宙 
8.9宇宙正在膨胀
8.10为何无论在哪里都是相似的构造 
8.11宇宙膨胀说 
8.12宇宙膨胀说与多重宇宙 

第3章
9穿越时空后有什么
9.1人择原理 
9.2生命所需的碳和氧存在于宇宙的原因 
9.3弱人择原理和强人择原理 
9.4将强人择原理变为弱人择原理的多重宇宙 
9.5多重宇宙并非的答案 
9.6万物源于比特 
9.7人类居住在虚拟世界？ 
9.8 一切只是信息处理后的结果？ 
9.9时空的尽头是什么 

附录以相对论的宇宙飞船计算往返旅行 
索引 
参考文献

本书不仅为各位读者朋友提供了丰富的插图和照片,还能让您充分享受“思考宇宙”的乐趣。阅读本书可以让您仿佛自由地在时间和空间中旅行，对“宇宙”这个话题展开思考。我撰写本书的初衷不仅是为大家提供知识，更多的是希望这本书能成为一本充满乐趣的读物。
近几年，市面上出现了许多关于宇宙的新书或专著，其中大部分着眼于为大众解释“宇宙是什么”这个问题。我本人也写过几本这样的书。我注意到很多读者不仅想了解宇宙，还想享受思考宇宙的乐趣。
因此，我在书中加入了许多插图和照片，并附上了说明文字，为的是让各个知识水平的读者都能对与地球完全不同的世界展开想象与思考。
当然，为了让大家充分享受思考宇宙的过程，我用简单易懂的文字对必要的知识进行了说明。因此，即便您对宇宙一无所知，阅读本书也不会有任何障碍。可能书中有些内容有点儿难懂，但我认为即便跳过这些部分的说明，只阅读结论，也足够有趣了。
本书的内容大致围绕三个话题展开：

首先是“时间”针对人类能否乘坐时光机去往未来或过去这个话题，我将展开想象，根据物理学原理进行说明。
其次是“空间”这个话题让人思考人类如何飞出地球前往宇宙、宇宙的尽头是什么，以及人类如何利用极为先进的宇宙飞船进行太空旅行。
后是“穿越时空后有什么”。从这里开始，我将带领大家进入推测的世界，从物理学角度来思考,在不过于荒诞无稽的前提下，为大家介绍可能出现的情况。
希望各位读者在阅读完本书后，能够尽可能地对宇宙增添一分亲近感。

松原隆彦2018年9月

宇宙广袤而神奇，大家都想去看看。如何实现太空之旅，我们近邻的太阳系和银河系以及遥远的宇宙边缘都有什么值得关注，都在这本图文并茂的《宇宙时空穿越指南》中。
     ——苟利军，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学教授，恒星级黑洞及其爆发研究课题组负责人

第1章

所谓“时空”，就是时间和空间的总和。首先，我们先思考一下“时间”的问题。在人们的固有思维中，时间与空间不同，只有从过去到未来这一个发展方向，并且速度始终保持一致。但事实果真如此吗？难道人类就不能想办法创造一台可以自由穿梭时间的时光机吗？我相信很多人都有过这样的想法或愿望。
令人惊讶的是，物理定律并没有否定时光机的存在。那么接下来，围绕“去往未来和回到过去是怎么回事”这个话题，让我们开启一场探索之旅吧。

1写给希望回到过去的你

1.1如果我们能够回到过去
如果可以的话，我想回到过去。我相信每个人都有过这样的想法。如果当下不是迄今为止人生中幸福的时刻，那么你可能会有“比起现在，回到过去更好”这样的念头。如果能够回到那时的自己该有多好啊。虽然我们心里都明白，这种眷恋过去的情感其实无济于事，但对过去的追忆总是既甜蜜又带有一丝苦涩的。究竟人类有没有办法回到过去呢？
认为过去更好是人之常情，但人们总是会忘记过去不好的回忆，这也是事实。一想到过去发生的趣事、让人开心的事，人的心情就会不由自主地愉快起来，因此人们总是会回忆那些美好的过往；讨厌的事情会令人心情低落,所以人们会不自觉地想要淡忘那些不好的回忆。渐渐地,只有好的回忆在心中不断扩张，“过去”被我们自己粉饰得无比美好。如果我们真的回到过去，或许就会发现，其实过去也没有自己想的那么好。
如果曾经历一次无可挽回的甚至可以左右自己人生的巨大失败，人们总是想要回到过去尽量弥补过错。人生往往被一些小事左右，这些小事对我们产生的影响可好可坏。但这些事越是会造成致命影响，我们越是渴望重新来过。
时光倒流是当今人类无法实现的一个愿望。但是，过去是回不去的吗？
在日常生活中，人们已经完全接受了无法回到过去这件事。但仔细想想，你就会好奇我们无法回到过去的原因。
平时，如果我们走错了路，只要原路返回，从起点重新出发就可以了。但同样地，想回到过去的时间，重新来过，却无论如何也做不到。人在空间中可以自由往来，但在时间中却无法自由地前进和返回。
从物理学角度来看，时间和空间一样，都是可以用数值来表示某个事物的一个维度。但即便如此，时间的性质和空间的性质也有着本质上的区别。时间只能从过去流向未来,方向是单一的。但从人类的角度来看，毫无疑问，时间来自未来，又仿佛汹涌的波涛一般涌向过去。那么，从不同角度来看，似乎颇为矛盾的“时间”究竟是什么呢？

1.2未来的记忆

如果人真的能够回到过去，就会出现前后矛盾。如果真的有人能够让自己的时间倒流，会发生什么呢？
首先，这个人要拥有未来的记忆。如果一个人回到过去，却不记得“未来”的事情，那就不能说他回到了过去。这个人只不过是在对未来毫不知情的情况下重复了一遍人生而已。为了真正称之为“回到过去”，就必须将“未来”的记忆一起带回过去的某个时间点。
通常情况下，人只拥有过去的记忆，而没有未来的记忆。但令人感到不可思议的是，穿越到过去的这个人在拥有过去记忆的同时，也拥有未来的记忆。试想一下，当一个人站在人生的岔路口时，如果朝着与“未来”记忆不同的方向前进，会出现什么样的结果呢？其实从这时起，这个人就已经走上与记忆中的“未来”不同的道路了。
也正是从这时起，这个人所拥有的对未来的记忆将不再准确。他记忆中的那个世界已经荡然无存，他只能活在另一个现实中。换句话说，这个人迷失在了平行世界中。
终，即便是穿越到了过去，这个人也无法走自己记忆中的人生道路。这是因为未来的记忆会将过去的自己变成另一个自己，那已经不是当初怀念的过去的自己，而是另一个人了。所以穿越回去后，即便时间正常前进，自己也无法成为原本的自己了。
因此，即便人类有办法回到过去，也无法到达还没有穿越回去时的“现在”的自己，这一趟“时光穿梭”只能是一张“单程票”。一旦不只是怀念过去的自己，而是认真思考“回到过去”这件事，就会有很多这样令人不可思议的疑问涌现。

1.3哆啦A梦的时光机

那么问题来了，人类能否发明一台哆啦A梦那样的时光机呢？这样就不是变回过去的自己，而是现在的自己直接去往过去或未来了。这样一来，即使过去的自己犯过再大的错，自己也可以回去提醒自己了。现如今，时光机的发明或许只是个梦，但将来有一天它可能会成为现实，因为科学技术的发展已经将许多过去不可能的事情变成了可能。
在漫画中，哆啦A梦出生于2112年，而人类在2008年时已经发明了时光机。但遗憾的是，在现实中，2008年时光机并没有被发明创造出来，并且在不久的将来也不太可能被发明出来。但如果在遥远的未来，人类拥有足够先进的技术，是否就能够发明时光机了呢？
哆啦A梦的时光机可以自由地穿梭于从过去到未来的任何一个时代。一般来说，提到时光机时，人们想象的都是这样的机器。
但如果真的使用了这样的时光机，过去就会被改变,终的结果就是现在的世界发生改变，并且出现许多矛盾的事情。在《哆啦A梦》的故事中，作者对这个问题做了非常模棱两可的描述。比如，野比大雄的孙子的孙子野比世修为了让大雄的人生过得更好，从未来穿越到了过去。原本大雄在未来会与胖虎的妹妹结婚，终却因为世修的插手，而与静香结了婚。
这样一来，原本是大雄与胖虎妹妹的后代的那个人应该就不存在了。但在《哆啦A梦》的故事设定中，不知道为什么，世修仍然作为静香的后代而存在。这怎么可能呢？
如果人类真的发明了能够穿越到过去的时光机，就像我们想要回到过去的自己一样，很多奇怪的问题就会不断出现。

2前往未来

2.1去往未来的时光机在理论上是可能的

说到时光机，很多人可能觉得这种东西只存在于幻想小说中，但事实上并非如此。接下来，让我们一起从物理学的角度来思考，时光机在现实中能否实现吧。物理学是探索自然界的基本规律或原理的一门学科。违背物理学规律的技术是不可能实现的；反之，只要遵循物理学规律，人类技术就会不断革新与进步，会带来更多可能性。
从理论上来说，如果违反了物理学规律，那么无论今后人类的科学技术多么先进，人类都发明不出时光机。但事实上，从理论上来讲，人类可以在不违背物理学规律的前提下，发明一台去往未来的时光机。虽然将人类这种大小的东西送往遥远的未来，在当今的技术条件下还难以实现，但将一些很小的粒子送到未来却很容易。这类事其实在我们日常生活中时常发生，只不过我们意识不到而已。
首先，要说一件显而易见的事，那就是我们人类哪怕什么都不做，也能够以秒为单位向未来匀速前进。我们可以将这个过程看作人类正坐在一台匀速、单向行驶且不可操控的时光机上。仔细想想，这确实有些奇妙，但这就是我们普通的日常。这可以说是“无聊”的时光机了吧。这种时光机事实上只是自然的时间流逝，而不是我们所幻想的那种任意穿梭于过去和未来的时光机。
想要能够真正称得上“去往未来的时光机”，就需要在我们人类感受到的1秒时间内，周围世界的前进速度快于1秒钟。具体来说就是，在我们感受到的1秒钟时间内，如果周围的世界前进了1年，我们相当于利用时光机瞬间来到了1年后的世界。如果有这样一台机器，我们就可以用10秒钟到达10年后的世界，用100秒钟到达100年后的世界了。
这种时光机并没有违背物理学规律，并且能够用爱因斯坦提出的相对论来解释。根据这个理论，从静止物体的角度来看，运动着的物体的时间流逝会变慢。但是，在我们的日常生活中，这种时间流逝的速度差异过于微小，我们根本感受不到。当运动的速度接近光速时，时间的流逝会变得非常缓慢。这种现象在相对论中被称为“浦岛效应”A。光速约为每秒30万千米，是乘坐现有的任何交通工具都无法体验到的速度。

2.2相对论中的浦岛效应是什么

从理论上来说，如果某个人以无限接近光速的速度去某地旅行，然后返回，那么这个人所度过的时间会极其缓慢。比如，快速移动的人感觉自己只度过了3年的时光，但其实周围的世界可能已经过了好几百年。
相对论是20世纪初爱因斯坦提出的物理学理论，实验已经充分证实了它对现实世界的描述，并且没有发现与之相违背的现象。浦岛太郎在龙宫生活期间，如果本质上是他以极快的速度进行了一场宇宙旅行的话，那么从物理学理论来看，这个荒诞故事是有可能发生的。
不过，要实现浦岛效应，物体必须以无限接近光速的速度移动。比如，想让时间流逝的速度放缓至原来的一半,物体的速度就必须达到光速的87%。
在浦岛太郎的故事中，浦岛太郎在龙宫生活了3年，但他原本居住的世界已经过去了700年，时间流逝的速度大约是在龙宫时的233倍。如果这是通过相对论中的浦岛效应来实现的话，那么在此期间，就需要浦岛太郎和龙宫共同以光速的99.999%的速度在宇宙空间中移动。这也是为什么有些说法会认为，如果浦岛太郎的故事真实存在的话，浦岛太郎其实是被外星人带走，去太空旅行了。
不用说浦岛太郎的时代，即便是现代社会，人类也不具备以接近光速的速度移动的技术。就算是喷气式飞机，多也只能达到光速的0.0001%。这种情况下虽然能够产生极其微弱的浦岛效应，但是时间差仅能达到0.00000000004%左右，这点微弱的时间差人类根本感受不到。
但是，即便浦岛太郎能够在浦岛效应的理论基础上去往未来，逝去的时间也绝不会被封存在玉手箱中。人类即使去了未来也不会一下子就变老，而是在未来的世界里，遵循从年轻到年老的在龙宫公主乙姬给浦岛太郎的
玉手箱里，恐怕是一种在相对论体系之外的、用现代科学无法解释的变老药吧。

3.3微弱的浦岛效应经常发生

然而，物体无论以怎样的速度移动，都会产生微弱的浦岛效应。现如今，人们坐新干线从东京去往大阪已是稀松平常的事，这两个城市间的距离为500千米左右。为了容易计算，彳发设以每小时250千米的速度从东京直达大阪，中间不停靠其他车站一要跳过名古屋站和京都站，可能会引起这两个地方居民的不悦一所需时间正好是2个小时。
这样的话，乘坐新干线的人的时间就会比静止不动的人慢五十亿分之一秒，也就是0.2纳秒A。人类虽然感受不到这微小的时间差，但确实到了未来。如果一个人从东京出发到大阪出差，当天就回来的话，这一天就比24小时短了0.4纳秒。
这样反复几次，你就能比周围的人更年轻一些。也就是说，想年轻1岁的话，只要这样往返10京A次就可以了，但要做到这一点，就必须连续乘坐新干线几十兆b年，显然这是不现实的。因此，为了更高效地推进时间，还需要进一步提高移动速度。然而，由于地面上存在空气阻力，即使移动速度再快，也是有上限的。
迄今为止，人类历史上在宇宙中高速移动时间长的人是俄罗斯宇航员根纳季•帕达尔卡。他曾在俄罗斯的和平号空间站和国际空间站长时间停留过5次，在太空中共停留了879天。在此期间，他以每小时27000千米的速度在太空中飞行，因此他迄今为止经历的时间相较其他人短了0.02秒。也就是说，他花了879天，只前往了未来0.02秒（虽然受重力影响，地球上的时间多少会慢一些，但在根纳季的这种情况下，浦岛效应的影响更大）
耗费如此长的时间才向未来前进了那么一点儿，说这就是穿越到了未来多少有点儿牵强。但这只是程度上的问题。只要人类能够以更快的速度移动，就能够更为省时地穿越到更久远的未来。这个问题仅仅取决于移动的速度。所以重复一遍，穿越到未来，是可以在不违背物理学规律的前提下实现的。