返老还童将成真
斯坦福教授解说“生命编程”技术
来源：硅谷密探（ID:SVS-007）
如果有一天，艾滋病、乙肝等从地球上消失。
如果有一天我们可以根治癌症。
如果秃头、肥胖、近视都能够被治疗。
如果有一天，我们可以返老还童。
世界会不会更加美好？
探长获悉基因编辑和干扰技术有望将这些梦想都变成现实，于是潜入腾讯WE大会，聆听了斯坦福大学Lei Stanley Qi（亓磊）教授关于“编程生命”的演讲。
（基因编辑领域专家、斯坦福大学生物工程系和化学与系统生物学系助理教授亓磊）
我们可以把人体看成一台DNA的计算机，一台生命信息的计算机。
基因的基本形态是DNA，DNA编码了RNA，RNA又编码了蛋白，蛋白产生了复杂的功能。基因信息的横向流动构成了我们的生命，在每一个人体内都有这样的DNA、RNA和蛋白的分子，一旦这种信息流动出错，我们就会得病。
人类的疾病其实可以简单的分成两类，一种是人体获得了不该得到的东西造成的疾病，第二种是你丢掉了一些需要的东西造成的疾病。
那么，如果我们能像计算机一样，给人体添加一些按纽：比如说其中一个按纽是“更改”，当按下这个按纽的时候任何发生错误的DNA就会发生自动的修复，帮助我们纠正这些疾病；再比如另外一个按纽“删除”，可以帮助我们删除不想要的基因，如感染的病毒；另外还有打开或者是关闭基因的按纽，帮助我们调整这些基因的功能。
如果有一天，我们可以做到上述这样的“生命编程”，那么很多疾病我们将不再感到害怕。
生命编程真的可以实现吗？
1. CRISPR（基因剪刀）
很幸运的是，最近几年出现了一项新的技术叫做CRISPR（基因剪刀），它是生物工程师眼中的希望，是人们用来攻克难以治愈疾病的希望。CRISPR是什么呢？简单来说，它就像一把剪刀，一把DNA的分子手术刀，可以帮我们精准的剪切基因的某一个位置。
CRISPR有两大主要功能：一个是GPS，另一个是剪刀。它由一个蛋白和RNA构成。这个特殊的蛋白叫做Cas9，是从细菌中发现的，它在细菌中可以精确的把它不喜欢的病毒给剪切掉去除。而这个精确性来自于与Cas9结合的RNA，叫做向导RNA。
（CRISPR 基因剪刀）
向导RNA，就像一个卫星导航系统，可以把这把分子剪刀带到对应的基因位置，而它寻找DNA的方式是非常简单的，就是我们所熟知的互补原理。这就形成整个生命编程的基础，我们可以通过设计不同的向导RNA，来设计不同的GPS，告诉这个剪刀跑到不同的位置来编辑基因，通过编辑我们可以插入一个基因，删除一个基因，或者是修改一个错误的基因。
在2012年，当亓磊还在伯克利做博士生的时候，他和他的导师在一起研究时发现：CRISPR基因编辑虽然非常强大，但是有时也会犯错，而如果这种错误发生在人的生殖细胞里，就会传给后代，形成新的遗传病，而且很难逆转，于是，他们开始思考一种不必去修改基因序列，但同时又能改变基因功能的方法。
（CRISPRi也有风险）
2. CRISPRi（基因开关）
伴随着这个想法，他们发明了一种新的技术，叫做CRISPRi（基因开关），i指的是干扰。简单的说，CRISPRi是去除了剪刀的功能，所以不会对DNA造成任何的损伤，但是却保留了GPS的功能，能够精准地跑到某个基因的位置，并不会剪掉它，而是改变它的表达方式。
（CRISPRi 基因开关）
人的基因组是有2万多个基因构成的，这些基因细微的差异和不同的表达构成了我们个体的差异，当该表达的基因不表达，或者是不该表达的基因表达的时候我们就会得病，而这些疾病可以通过CRISPRi来修复。
假想一下，CRISPRi就是一把把的钥匙，它可以让我们用来精确的开关基因组里的很多基因，比如说我们可以用CRISPRi关掉一些造成疾病的风险性基因，像糖尿病、近视眼和癌症，同时我们可以用这把钥匙打开一些对我们有有益的基因，比如说打开一个增强免疫力的基因。
在实验室里，我们可以使用很多把这样的钥匙，同时在人的细胞里打开关闭上百个基因，达到非常复杂的生命编程的过程。让我们再看看有哪些应用吧：
用生命编程治疗遗传病
遗传病的根本是由于遗传的DNA发生了错误，我们可以把它进行修整。
生物工程师现在正在使用这些基因编程的工具，来针对很多种不同的遗传病寻找解决的方案，像通常见到的秃头，这是遗传造成的，而肥胖、近视是由遗传和环境一起造成的。
这些都可以在将来某一天通过基因编程的方式彻底修改掉，我们再也不必要担心得这些毛病。
用生命编程的方式治疗艾滋病
我们听过最可怕的疾病应该就是艾滋病了。HIV病毒感染人的免疫系统，并且长时间的潜伏在里面，造成免疫系统的缺失，这就是艾滋病。
目前，治疗艾滋病的主要方式是通过控制HIV的传播，以及延缓HIV的发作，非常昂贵，而且并不能从根本上消灭HIV。
根据麻省大学医学院的研究，我们有望用生命编程的方式根治HIV，利用Cas9 / CRISPR技术将造成艾滋病的HIV病毒序列从细胞基因组里删除掉，就能让HIV病毒从病人体内永久消失。而如果每个人都进行这样的生命编程，那么HIV就会从地球上永远的消失，人们再也不用担心将来得艾滋病。
用生命编程的方式治疗乙肝
同样的方法也可以用于乙肝病毒。数据统计，中国得乙肝病毒的病人数量超过全世界其他国家的总和。
乙肝病毒也是一种DNA病毒，它长期的潜伏在我们的肝细胞里，并通过这种潜伏影响我们的肝脏功能，甚至造成肝癌。既然是DNA病毒就可以通过DNA编程的方式加以修改、删除，这样乙肝病毒就再也不存在我们的体内，世界上再也没有乙肝的携带者。
用生命编程的方式治疗癌症
目前治疗癌症的方法也比较单一，主要是手术切除或者是大剂量的化疗，这些方法也是治标不治本，而且非常痛苦。
有一种方案就是编程我们的免疫系统，大家知道免疫系统是我们身体的一道防线，免疫细胞就像警察一样帮助我们去除那些我们有害健康的东西。
但有个问题是免疫细胞会游走于全身各个器官，对于很多器官造成不必要的伤害！
通过生命编程的方法，我们也能解决这个问题。我们可以编程免疫细胞，让它们变得非常精准，只去杀死需要杀死的癌细胞，比如让免疫细胞只进入到肺部，这样对于肺癌的病人只会进入到肺部去杀死这些肺癌细胞，而不会进入到身体的其他任何器官，不会造成“误伤”。
用生命编程的方式返老还童
最近，亓磊的团队和斯坦福医学院临床医生合作，使用编程的方式来解决骨再生的问题。大家知道，老年人和糖尿病患者的骨头一旦受损修复是非常漫长的。那么，解决的方案就是编程干细胞，让干细胞短时间内快速再生出高质量的骨头。
而他们的实验发现，在小鼠体内本来不可以再生的骨头，通过两周时间内快速再生出高质量的骨头。
同样的方法也可以适用于更复杂的器官，比如说再生心脏，让心脏重新恢复功能，甚至可以让人们返老还童。如果把年轻小鼠的血打入到年老的小鼠体内，它就会恢复认知能力和青春，年轻小鼠血里面有一些东西可以帮助年老的老鼠，这就是所谓的“返老还童”吧。
如果说IT行业在一条高速公路上已经飞速前行了30年的话，那么生物科技也即将驶入这条高速路，虽然说现在速度不是很快，但是加速度很大，那么在将来它必将一样高速行使。
生命编程的未来与生物工程师的愿景
在演讲的最后，亓磊教授提到：“基因编程的方式目前正处于起点，但是它却能帮助我们克服很多的疾病，包括癌症、老年痴呆、传染病和器官损伤，要想让这个成功，不仅需要生物工程师的存在，也需要产业的存在，需要有一个完整的生物科技产业不停的创新，不停的支持将科技转化为临床、转化为医学，并且与医学完美的结合。”
作为一个生物工程师，亓磊也曾在面对太多未知的东西迷茫过，但有一段深深的影响了他，也描述了很多生物工程师的愿景：“Heal the Hurt, Reverse the Time, Change the Fate”（医治伤患、逆转时间、改变命运！）
时间旅行是科学？还是幻想？
本文转自：科坛春秋（ID:ketanchunqiu）
一、从《时间机器》讲起
众所周知，迄今为止人类在空间与时间上获得的自由度是很不相同的。我们可以沿空间方向作自由运动，却无法随意驾驭时间。时间就象一条漫漫长河，世间万物仿佛是河里的漂浮物，只能随波逐流。
现实的尽头往往就是幻想的起点。如果时间是一条长河，那么在这长河之中是否能有船只呢？漂浮物只能随波逐流，船只却可以劈波斩浪。如果时间长河中能有船只，我们就可以乘坐这种船只进行时间旅行，既可以窥视未来，也可以重返往昔，说不定还能改变历史。
在科幻小说中，这种假想的船只被称为“时间机器”。
有关时间机器最早、最著名的小说是英国科幻作家威尔斯的《时间机器》(The Time Machine)，发表于1895年。
不过，威尔斯并不是最早触及时间旅行这一题材的作家，在他之前已经有许多作家涉足过这一题材，其中甚至包括美国讽刺小说家马克·吐温，他发表于1889年的《康州美国佬在亚瑟王朝》(A Connecticut Yankee in King Arthur's Court)据说是最早涉及逆向时间旅行的小说。
但在那些比威尔斯更早的文学作品中，普遍没有使用象时间机器这样一种可以让人选择“目的地”(确切地讲是“目的时间”)的旅行器，并且也极少对时间旅行的机制作哪怕只是科幻意义上的说明。
威尔斯的《时间机器》在这两方面都是突破性的，它很快引起了读者们的巨大兴趣，并于1960及2002年两度被拍成电影，英国甚至为《时间机器》出版100周年发行过纪念邮票。
威尔斯写作《时间机器》的时侯，爱因斯坦的相对论尚未被提出，人们对时空的理解大体上还停留在牛顿的绝对时空观上[注一]，但威尔斯却在《时间机器》一书中令人吃惊地提出了将时间作为第四维的观点，与十年后到来的相对论时空观作了戏剧性的遥相呼应。
威尔斯将时间视为第四维，目的是要通过将时间与空间类比来为时间旅行开绿灯。那么现代物理学认可这个绿灯吗？这就是本文所要讨论的内容。
面向未来与重返过去
我们知道，在牛顿的绝对时空观里，时间和空间不受任何物质及运动的影响(这是“绝对”的主要含义所在)。很明显，在这样的时空观里，时间旅行不具有理论基础，它的存在只是一种幻想。
但是狭义相对论的提出对时空观产生了一次重大变革。在狭义相对论中，时间和空间不再是绝对的概念，而是与参照系的选择密切相关。特别是，在运动参照系中时间的流逝会变慢，这是著名的时间延缓效应，它的存在已经被大量物理实验所证实。
狭义相对论所带来的这种新结果，为时间旅行开启了第一种具有理论依据的可能性：那就是面向未来的时间旅行成为了可能。
按照狭义相对论，如果有人想要到未来去旅行，他所需要的时间机器就是一艘能以接近光速的高速度运行的飞船。想要到达的未来越遥远，飞船所需达到的速度就越高。
如果他想在20年(飞船上的时间)的飞行之后到达两万年(地球上的时间)后的地球上，他所要做的就是让飞船以相当于光速99.99995%的速度飞行10年，然后以相同的速度往回飞。那么20年后，当他回到地球上时，地球上的日历已经翻过了整整两万年，他可以如愿以偿地看到两万年后的人类社会(如果那时侯人类社会还存在的话)。
可以想象，这样一位来自远古的旅行家将会受到未来的历史学家和考古学家们何等热烈的欢迎。
事实上，不仅未来的历史学家和考古学家将会非常欢迎这样的时间旅行家，与这位时间旅行家同时代的人又何尝不希望他能把自己看到的未来世界的情形带回给大家呢？可惜的是，狭义相对论为面向未来的时间旅行开启了大门，却没能为重返过去的时间旅行提供同样的理论可行性。
如果一定要对狭义相对论的数学框架做广义诠释的话，那么只有超光速的运动才可能导致某一类参照系中的时序被颠倒。
但是狭义相对论本身在亚光速与超光速之间设置了一个光速壁垒，没有任何已知的物理过程能够使原本亚光速运动的物体——包括人——进入超光速运动状态，因此在狭义相对论的理论框架内，时间旅行家可以到达未来，但却不能重返过去，这与我们在空间中自由自在的运动相比，显然是差得很远的。
而且，面向未来的时间旅行不一定需要时间机器才能做到，通过将旅行者冷冻若干年再解冻的手段也可以达到同样的目的，因此时间机器如果存在的话，它真正独特的价值不在于面向未来，而在于重返过去。
那么重返过去的路在哪里呢？
在狭义相对论之后又过了10年，爱因斯坦提出了广义相对论。在广义相对论中，时间和空间不仅如狭义相对论中一样与参照系的选择密切相关，而且还有赖于物质的分布和运动。
由此产生的一个不同于狭义相对论的重要结果是：我们对“未来”的定义不再是绝对的了，它会受到物质运动的影响。在不同时刻、不同地点，“未来”有可能指向不同的方向。
这是一个奇妙的结果，它表明时空在某种意义上就象流体一样会受到物质运动的拖曳，甚至连时间的方向都有可能因拖曳而改变。
既然时间的方向可以被物质的运动所拖曳，那么有没有可能存在某种物质的分布与运动，它对时间方向的拖曳如此显著，以至于把未来方向拖曳成过去方向，甚至让不同的时间方向首尾相接，连成一条闭合曲线呢？
这样的闭合曲线如果存在，无疑就是一种时间机器，因为沿这种曲线运动的飞船每时每刻都在做正常的飞行，感受到正向的时间流逝，但它的轨迹却不仅在空间上，而且会在时间上回到出发点。
如果你乘坐飞船沿这样的曲线做一次为期10年的旅行[注二]，那么在旅行结束时你不仅会回到飞船出发的地方，并且会遇见10年前整装待发的自己[注三]！
物理学家们把这种奇妙的曲线称为“闭合类时曲线”，它是时间机器这一科幻术语在广义相对论中的代名词。倘若存在闭合类时曲线，时间旅行就有了理论上的可能性。
那么在广义相对论中，是否存在闭合类时曲线？或者确切地说，是否存在使闭合类时曲线成为可能的物质分布与运动呢？对这个问题，物理学家们做了许多研究。
广义相对论与时间旅行
1949年，著名逻辑学家哥德尔在广义相对论中发现了一个非常奇特的解，描述一个如今被称为“哥德尔宇宙”的整体旋转的宇宙。
在这种宇宙中，物质的旋转对时间方向会产生拖曳作用，离旋转中心越远，拖曳作用就越显著。在足够远的地方，拖曳作用足以形成闭合类时曲线。
因此，在哥德尔宇宙中只要让飞船沿某些远离旋转中心的轨道运动，原则上就可以实现时间旅行。
哥德尔这位曾经以哥德尔不完全性定理震撼整个数学界的逻辑学家，又用他的旋转宇宙震动了包括爱因斯坦本人在内的许多物理学家。
可惜的是，哥德尔宇宙并不符合天文观测。首先，我们所生活的宇宙并不存在整体的旋转[注四]；其次，在哥德尔宇宙中宇宙学常数是负的，而我们观测到的宇宙学常数却是正的，因此我们所生活的宇宙显然不是哥德尔宇宙。
不仅如此，定量的计算还表明，即便我们真的生活在一个哥德尔宇宙中，也很难实现时间旅行，因为沿哥德尔宇宙中的闭合类时曲线运行一周所需的时间与宇宙的物质密度有关，对于我们所观测到的物质密度而言，沿闭合类时曲线运行一周起码需要几百亿年的时间。因此哥德尔宇宙对于时间旅行并无现实意义。
不过，哥德尔宇宙虽然没有现实意义，但它的发现表明广义相对论的确允许闭合类时曲线的存在，这本身就是一个鼓舞人心的结果。
自那以后，物理学家们在广义相对论中又陆续发现了其它一些允许闭合类时曲线的解。
比如1974年，美国图兰大学(Tulane University)的物理学家梯普勒(FrankJ、Tipler)研究了一个无限长的旋转柱体外部的时空[注五]，结果发现只要旋转速度足够快，这样的柱体对外部时空所起的拖曳作用也足以形成闭合类时曲线。
又比如1991年，普林斯顿大学的天体物理学家高特发现两条无限长的平行宇宙弦以接近光速的速度彼此擦身而过时，也会在周围形成闭合类时曲线。
与梯普勒人为引进的旋转柱体不同的是，宇宙弦的存在虽然还没有明确的实验证据，但它是许多前沿物理理论所预言的东西。因此高特的结果可以算是把时间机器在理论上的可能性又推进了一步。
但是梯普勒与高特为了数学上的便利都引进了无限长的物质分布(即“无限长的旋转柱体”和“无限长的平行宇宙弦”)，这在现实世界中显然是不可能严格实现的。
假如物质的分布不是无限的，还可以得到类似的结果吗？物理学家们对此也做了研究，但情况不容乐观：1992年，著名物理学家霍金给出了一个令人沮丧的结果，那就是如果能量密度处处非负，那么试图在任何有限时空区域内建造时间机器的努力要想成功，都必须产生物理学家们最不想看到的东西——时空奇点[注六]。
时空奇点对于研究广义相对论的人来说是并不陌生的，它具有一系列令人头疼的性质，比如物质的密度发散，时空的曲率发散，等等[注七]。虽然没有人确切知道时空奇点的出现会对时间旅行产生什么影响，但这种影响很可能是凶多吉少的。
霍金的这个结果对于建造时间机器无疑是坏消息，但细心的读者也许注意到了，这个结果中有一个限制条件，那就是“能量密度处处非负”。这个条件粗看起来是非常合理的，但我们在介绍虫洞的时候已经提到过，负能量物质的存在不仅在理论上是可能的，而且已经得到了实验的证实。
既然负能量物质可以存在，那么霍金的结果(确切地说是其中的结论部分)就有可能被避免。
这方面的研究事实上早在霍金的结果出现之前就已经有人进行了——当然目的不是为了避免当时尚未出现的霍金的结果：加州理工学院的物理学家索恩(Kip Thorne)与学生莫里斯(Mike Morris)等人在1988年发表的一项有关“可穿越虫洞”(traversable wormhole)的研究中，发现虫洞不仅是空间旅行的通道，而且还可以作为时间旅行的工具——只要让虫洞的出入口以接近光速的速度作适当的运动，就可以将虫洞转变成时间机器[注八]。
由于虫洞中含有负能量物质，因此他们这种时间机器可以避免霍金的结果，不导致时空奇点(从这个意义上讲，负能量物质还真是很有“正能量”)。
索恩等人的这一研究把科幻小说中最具魅力的两个概念——虫洞与时间机器——联系在了一起，集“万千宠爱”于一身，很快就成为了建造时间机器的热门方案。
但是，索恩等人的虫洞时间机器虽然可以避免霍金的结果，却立即遇到了另一个棘手的问题，那就是虫洞一旦成为时间机器，在类时曲线闭合的一刹那，任何微小的量子涨落都有可能通过那样的虫洞返回过去，与它本身相叠加。
这种叠加过程可以在零时间内重复无穷多次，由此产生的自激效应足以在瞬间将时间机器彻底摧毁！这种效应不仅危及索恩等人的“虫洞时间机器”，对其它类型的时间机器也同样具有威胁。
1992年，霍金干脆提出了著名的时序保护假设(Chronology Protection Conjecture)，认为自然定律不会允许建造时间机器。不过迄今为止，这还只是一个假设，而且霍金的论据也不是无懈可击的，对时间机器的理论可行性持乐观看法的物理学家们陆续提出了一些模型来突破霍金对时间机器的封杀。这方面的讨论目前仍在继续。
注释
1、在1892至1895年间，荷兰物理学家洛仑兹(Hendrik Lorentz)等人曾在研究电磁理论时提出过一些有别于绝对时空观的假设，但这些假设并未成为主流，后来则被相对论所取代。
2、这里“为期10年”指的是飞船上的时间。
3、事实上，不仅旅行结束时的你会看到10年前的自己，十年前的你在出发时也会看到10年后凯旋的自己。假如你在出发时什么都没看到，说明旅程中必定会发生意外，使你无法回到旅行的起点。在这种情况下，你或许应该取消旅行！
4、当然，这是指在现有的观测精度内没有发现宇宙的整体旋转。另外，有读者可能会问：什么是宇宙的整体旋转？这种旋转是相对于什么来定义的？这类问题可以视为是跟奥地利哲学家马赫(Ernst Mach)的观点，即旋转必须是相对的，一脉相承。不过，尽管爱因斯坦本人曾经推崇过马赫，但广义相对论事实上并不严格遵循马赫的哲学观点。
5、梯普勒并不是最早研究这一时空的物理学家，早在1937年，荷兰物理学家范斯托克姆(Willem Jacobvan Stockum)就曾研究过这一时空，只不过没有象梯普勒那样对其因果特性进行分析。
6、确切地讲，许多物理学家都得到过类似的结果，霍金的只是其中之一。
7、奇点的严格定义本身就是广义相对论中一个非常棘手的课题，这里叙述的只是某一类奇点的特性，更详细的叙述可参阅拙作从奇点到虫洞的什么是奇点部分。
8、具体地说，让虫洞成为时间机器所需的最简单的运动是那种使虫洞两个出口之间的外部空间距离迅速改变，而虫洞本身的长度却不改变的运动。产生这种运动并不容易，但在原则上是可以做到的。关于“虫洞时间机器”的更详细介绍，可参阅拙作从奇点到虫洞的由虫洞到时间机器部分。
时间旅行与因果佯谬
有关时间机器的讨论除了探讨它的理论可行性外，还有一个非常重要的方面，那就是探讨时间机器假如存在，我们能用它来做什么?
粗看起来，这似乎不成之为问题，既然能够做时间旅行，那么到达目的时间之后自然应该是想做什么
就可以做什么——只要不违反物理学定律。但细想一下，事情又不那么简单。举个例子来说，倘若时间旅行者回到自己出生之前，他能够阻止自己父母的相识吗？这似乎不需要违反任何物理学定律。
比如时间旅行者若在自己的父母相识之前，向后来会成为自己父亲的那个人开枪，子弹似乎完全可以在不违反任何物理学定律的情况下击中目标，造成致命伤害。但如果那样的行动成功了，我们就会立刻陷入所谓的“因果佯谬”(causality paradox)之中。
因为如果时间旅行者的父母因为他的阻挠而没有相识，那么世上就不会有他；而世上如果没有他，他又如何能够返回过去并阻止自己父母的相识呢？
像这样的佯谬在考虑时间旅行时数不胜数，它们都起源于时间旅行对因果时序可能造成的破坏。
这类佯谬该如何解决呢？在科幻小说或电影中，解决的方式往往是通过各种巧合。比如前面提到过的威尔斯的《时间机器》在2002年被拍摄成影片时，或许是为了对主人公建造时间机器的动机做出某种说明，导演增添了主人公情人被害，他试图重返过去加以挽救的情节。在那段情节中，主人公想尽办法，却总是顾此失彼，他的情人总会以这样或那样的方式死去。
显然，同样的手法也可以用来避免时间旅行者阻止自己的父母相识，比方说当时间旅行者正要采取某种手段阻止父母相识时，不小心踩到一块香蕉皮摔伤住进医院，从而错过了时机[注一]。
这样的解决佯谬的方式被一些物理学家戏称为“香蕉皮机制”(Banana Peel Mechanism)。在“香蕉皮机制”下，时间旅行者看似能够自由行事，但每当其行为将要导致因果佯谬时，总会受到某些看似偶然的因素干扰，致使行为失败。
这种“香蕉皮机制”很适合编写戏剧性的故事情节。但从物理学的角度讲，很难想象物理学定律需要通过如此离奇巧合的方式来解决佯谬[注二]。更何况，香蕉皮机制还有一个致命弱点，那就是它往往只着眼于保证一两个核心事件——比如影片《时间机器》中主人公情人的死亡，或者我们所举的例子中时间旅行者父母的相识——的发生不会被时间旅行所改变，却无法兼顾其它事件。
比如影片《时间机器》中主人公的情人以不同方式死亡会在当地报纸上留下不同的报道；我们所举的例子中时间旅行者的摔伤住院也会在当地医院中留下相应的记录。这些事件对特定的故事来说并不突出，但从维护因果时序或历史的角度讲却与核心事件有着同等的重要性。
事实上，自然界的各种事件之间存在着千丝万缕的联系，任何看似微小的变化，都有可能通过这种联系逐渐演变成重大事件。这一点对混沌理论中的蝴蝶效应(Butterfly Effect)有所了解的读者想必不会陌生[注三]。
除香蕉皮机制外，在一些科幻故事中还可以看到另外一种观点，那就是在一定程度上放弃因果律，以扩大时间旅行者的行动自由。在这种观点下，历史可以近乎随意地被改变，并且改变的结果可以影响到现实世界中的许多事情。
科幻影片《频率》(Frequency)体现的就是这种观点。在那部影片中，主人公虽然没有直接进行时间旅行，但他通过与30年前去世的父亲建立联络，具备了间接改变历史的能力。在影片中，历史事件的每一次改变都会直接改变30年后的现实世界。比如由于历史事件的改变导致主人公母亲意外死亡，30年后主人公母亲的相片就会从相框中突然消失。显然，这种观点几乎等于放弃已知的物理学定律，比试图保护现实的香蕉皮机制更为离奇。
凝固长河与平行宇宙
像“香蕉皮机制”或放弃因果律这样的做法，虽然也有物理学家表述过，但总体来说，它们与现实物理学定律之间的差距太大，很少有物理学家会在没有足够证据的情况下，对物理学定律做如此剧烈的变动。对物理学家们来说，更感兴趣的问题是：在现有物理学定律的基础上，能否理解或避免由时间旅行所可能导致的因果佯谬？
对于这一问题，物理学家们尚未形成一致的看法。我们在这里向读者介绍两种主要的观点。
第一种观点认为时间和空间是对物理事件的完整标识，因此一旦时间和空间同时确定，物理事件也就完全确定了。
从这个意义上讲，如果我们把时间比作一条长河，那它其实是一条凝固的长河，它的每个截面——对应于一个确定时刻所有物理事件的全体——都是固定的，就像电影胶片一样。
按照这种观点，历史只能有一个版本，如果时间旅行者能够回到过去，唯一的可能是他原本就存在于过去。
这话听起来有点玄妙，用平直一点的话说就是时间旅行者回到过去后所做的一切都只能精确地演绎历史上已经存在过的一个人。如果他试图阻止自己父母相识，却不小心踩到香蕉皮摔伤住了院，那么在历史上就的确存在过这样一个人，乘坐奇怪的机器从天而降，很不幸地踩到香蕉皮摔伤住了院，伤愈后又乘坐奇怪的机器离去。
换句话说，时间旅行者并不能对历史做分毫的改变，他甚至连历史的旁观者都不是，因为他原本就是历史的一部分。
这种观点对于热衷时间旅行的人来说无疑是令人失望的，因为如果一切都是不可改变的，那么时间旅行也就失去了最重要的价值。
幸运的是，第二种看待时间旅行的观点要开放得多，这种观点来源于美国物理学家艾弗里特(Hugh Everett III) 1957年提出的一种奇特的量子力学诠释——多世界诠释(many world interpretation)[注四]。
我们知道，量子力学的一个重要特点就是对量子体系进行测量的结果往往是不唯一的。那么，一个具体的测量结果究竟是如何产生的呢？物理学家们提出了许多不同的观点。
有些物理学家认为当我们对量子体系做测量时，体系的状态会发生坍缩，我们观测到的测量结果是一个坍缩后的状态。在这种观点中，状态的坍缩是一个不可预测的过程。
与之相反，艾弗里特等人的多世界诠释则认为，并不存在这种不可预测的状态坍缩，量子测量的结果是世界分裂为一组平行宇宙。所有量子力学中可能出现的测量结果都是真实存在的，只不过它们分别存在于各自的平行宇宙而非单一世界中。观测者所得到的测量结果，只不过是他(她)所在的平行宇宙中的特定结果而已[注五]。
如果我们把这种观点运用到时间旅行中，认为时间旅行者不仅跨越时间，而且还跨越不同的平行宇宙，那么所有的佯谬就都迎刃而解了[注六]。
比如时间旅行者阻止自己父母的相识就不再成为佯谬，因为所有这一切都发生在一个不同的平行宇宙中。在那个宇宙中他的父母原本就不相识，他自己也原本就不曾出生过。这与阻止父母相识的时间旅行者本人出现在那个宇宙中并不矛盾，因为时间旅行者是来自于另一个平行宇宙的，在那个平行宇宙中他父母依然相识。
在这种观点下，每个平行宇宙的历史仍然是唯一的，但是所有物理定律许可的历史都会在某个平行宇宙中得以实现，时间旅行者虽然无法改变任何一个平行宇宙的历史，却可以自由地选择进入哪一个平行宇宙，他不能改变历史，却可以选择历史[注七]。
幻想与历史
经过了这些讨论，现在让我们回到本文的标题上来，时间旅行究竟是科学还是幻想？据说索恩与学生发表有关虫洞及时间旅行的论文时，曾经担心被同事们认为是不务正业，但我们在本文中已经看到，在时间旅行这个主题背后有着一系列值得深入研究的物理学课题。
事实上，现在的确有一小部分物理学家——其中包括世界顶尖大学的教授——在对这些课题进行认真的研究。
这种研究除了试图探讨科幻小说中这些迷人话题的理论可行性外，一个很重要的动机是要探索现有物理学定律的边界，探索在最离奇的情形下物理学定律可以告诉我们什么。从这个意义上讲，时间旅行无疑是一个有着丰富科学内涵的课题。
但是另一方面，从现实可行性上来讲，起码就我们目前所知的物理学定律而言，时间旅行很可能只是一种幻想。我们在前面讨论过许多有可能形成闭合类时曲线的理论模型，撇开它们面临的种种理论难题不论，在那些讨论中我们还忽略了一个很重要的方面，那就是虽然从结构上讲，闭合类时曲线与能让人类使用的时间机器完全类似，但在规模上却有着巨大差异。
以索恩等人的虫洞时间机器来说，为了让人类能够使用这种时间机器，虫洞必须是可穿越虫洞，而我们在有关虫洞的介绍中已经看到，建造可穿越虫洞是一件几乎不可能做到的事情，更遑论让虫洞的出入口以接近光速的速度做特定的运动了。因此，索恩的虫洞时间机器无论在理论上是否可能，在现实世界中实现的可能性都是微乎其微的。
限于篇幅，我们有关时间旅行的介绍到这里就告一段落了。
十多年前，霍金曾经问过这样一个问题：假如时间旅行是可能的，为什么在我们周围至今尚未充斥着来自未来世界的时间旅行者呢？这个问题的潜台词是：时间旅行者没有来到我们周围，最有可能的原因是时间旅行在整个时间长河中——也就是永远——都没有实现过。
当然，霍金并没有把这样的问题当作是对时间机器的一个认真的理论诘难。不过，他的这个问题还是引起了一些物理学家的思考，并且他们找到了一种可能的回答：我们目前所知的有可能实现时间旅行的理论模型，有一个很可能具有普适性的共同特点，那就是不允许时间旅行者回到时间机器存在之前的年代。
因此，假如公元2500年有人建造出了时间机器，那么时间旅行者只能访问公元2500年之后的年代[注八]，他们永远无法来到我们周围，更无法像一些科幻小说描绘的那样，回到史前时代去捕捉恐龙——那些历史已经或将要无可挽回地被时间长河所吞没，就像美国物理学家格林(Brian Greene)所说的：在时间机器建造成功之前的每一个年代，都将成为我们以及我们的子孙后代永远无法触及的历史。
从这个意义上讲，如果时间旅行是可能的话，早一天建造出时间机器就是多拯救一天历史。
注释
1、当然，这只是最简单的巧合(不过“香蕉皮机制”因之而命名，故特意举出)。为了情节的需要，我们还可以设想更为复杂的巧合。比方说时间旅行者试图向后来会成为他父亲的那个人开枪，却因为心情矛盾导致枪法失准，没有击中“父亲”，却击中了“父亲”的情敌！他试图阻止父母相识的行动非但没有达到目的，反倒为他父母的结合铺平了道路。他的行动不仅没有破坏因果关系，反而成为了维护因果关系所必需的，等等。象这种近乎宿命的巧合在科幻故事中用得也很多。
2、尽管如此，还是有物理学家做过这方面的考虑。比如俄国物理学家诺维科夫(Igor Novikov)曾经提出过一个假设，认为物理学定律会——哪怕通过离奇巧合的方式——自动保证不出现因果佯谬。这个假设被称为“诺维科夫自洽性假设”(Novikov consistency conjecture)，它可以算是香蕉皮机制的理论版本。不过这个假设一直缺乏具体的实现方式。
3、举个例子来说，如果时间旅行者回到过去后把一块小石头放在路上，然后离开。这样的事件无疑是非常微不足道的，但它有可能导致某位行人因踩到石头而扭伤脚。而这位倒霉的行人有可能恰好是一位物理学家，他正要去做一个有关时间旅行的学术报告，却因为扭伤了脚而取消报告。而那个学术报告的听众中有可能恰好有一位年轻人因为这个报告的影响而投身于时间旅行的研究，并最终成为时间机器的建造者。在这种情况下，时间旅行者放在路上的小石头对历史的影响就扩大成了尖锐的佯谬。因为正是这块石头的出现，使得一位物理学家取消了学术报告，既而又使得一位年轻人因没有听到这个学术报告而不再以时间旅行作为自己的研究方向，而这最终导致了人类没能研制出时间机器。但如果人类没能研制出时间机器，时间旅行者又如何能够放置那块小石头呢？
4、艾弗里特是多世界诠释的提出者，不过“多世界诠释”这一术语却是美国物理学家德惠特(Bryce DeWitt)提出的。
5、需要指出的是，多世界诠释的原始表述其实并不依赖于象“多世界”或“平行宇宙”那样的概念。后来流行的“多世界”或“平行宇宙”概念从某种意义上讲是对多世界诠释本身的诠释。
6、当然，这里所谓的“迎刃而解”，是建立在有着极大争议性的平行宇宙概念之上的，因而本身也是有着极大争议性的。此外，所谓“迎刃而解”，首先还假定所讨论的问题有意义，这同样有可能是不成立的，因为时间旅行完全有可能是如霍金猜测的那样被物理学定律所禁止的，由时间旅行所导致的因果佯谬也因此完全有可能是伪问题。
7、即便按照这种观点，科幻小说中的许多情节也是不可能实现的。比如通过时间旅行者对某个历史事件的干预来改变人类命运就是不可能的。时间旅行者的努力，只能使他自己进入一个人类命运截然不同的平行宇宙中去，而试图通过这一努力来改变自己命运的原平行宇宙中的其他人的命运，将不会因此而改变。
8、注意，这并不是说时间旅行者只能作面向未来的时间旅行。在时间机器存在之后的那些年代之间，他们的旅行既可以面向未来也可以面向过去，他们只是无法回到时间机器建造之前的年代去。
马斯克首次公开披露火星移民详细计划
——花20万美元，10年后移民火星
作者：水原瓜子，来源：虎嗅网（ID：huxiu_com）
本文综合了腾讯太空、新浪科技和NASA中文的相关报道。本文头图来自RAPPLER。
9月28日凌晨，SpaceX CEO伊隆·马斯克（Elon Musk）在墨西哥瓜达拉哈拉举行的第67届国际宇航大会（IAC）上做了题目为“把人类变成星际公民”的演讲，详细介绍了 SpaceX 将开发大型火箭和飞船，将人类送往火星，最终实现火星殖民的惊人计划。
他给自己和SpaceX 定下的小目标是——10年内发射有人驾驶的太空船到火星。
马斯克表示在人类眼前的只有两条路，一条是老死在地球上，屈服等待灭绝；另一条是离开摇篮，殖民其他星球，而火星与地球的诸多相似性，无疑是最佳选择。马斯克也比较航空与航天运输的差别，认为如果太空运输工具能够像飞机一样重复使用，会有更多人负担得起火星旅行。
他表示：“如果票价达到每人100亿美元，那么你无法发展出能自我支撑的文明。我们的目标是将成本降低至美国普通住房的房价，即约20万美元。”
马斯克打算建造一整套可重复利用的运输设备，一次可将100人送到火星基地，耗时80天（最终减少到30天），花费控制在每人20万美元以内（最终降至10万美元）。这个计划的最终目标是建造一个有100万居民的火星基地，整个计划可能需要耗时100年才能完成。目前的关键问题是降低火星飞行成本，从而吸引潜在的志愿者。
马斯克将这一整套设备命名为“星际交通系统”（ITS），该系统主要由三部分组成：一枚超重型火箭BFR（非正式名称 Big Fucking Rocket）、一艘客运版飞船MCT（非正式名称 Mars Colonial Transporter），一艘货运版MCT飞船组成。
客运版飞船MCT，净重150吨，满载1950吨，可运载100名乘客前往火星；货运版MCT飞船净重90吨，满载2500吨。其中运载乘客的MCT飞船可重复使用12次，而补给飞船可使用100次。马斯克在演讲中展示了MCT超级飞船的内景。
马斯克在演讲中公布的“星际交通系统”的参数还包括：BFR火箭直径12米、MCT飞船直径17米，船箭总高度122米，MCT超级飞船使用两个超大型太阳能帆板，功率200KW。
与之相对应地，阿波罗登月计划使用的土星五号火箭直径只有10.1米，阿波罗飞船直径只有3.9米，土星五号与阿波罗飞船船箭合体总高度为110.6米。
其实前两天就有剧透啊
北京时间9月26日，马斯克就在Twitter 上发布了SpaceX 正在研制的新一代液氧甲烷火箭发动机“猛禽”（Raptor）的试车照片。他还表示，这可能帮助人类在将来的某一天在火星建立起根据地。
其实，猛禽发动机正是SpaceX火星殖民计划的关键，将被应用在SpaceX载人火星任务的BFR超级火箭上。与“猎鹰9号”火箭中使用的“Merlin”引擎相比，“猛禽”的动力要高出2倍。
猛禽发动点火照片
登陆火星需要如下几个步骤和一些心理建设：
登陆火星需要哪几步？马斯克在演讲中详细解释了一番。
在第一阶段，火箭以2870万磅（1.3万吨）的推力把飞船送入轨道。火箭然后返回地球并安全着陆，回收后的火箭将再次携带燃料箱进入轨道。
为了让轨道上的飞船有足够燃料飞往火星，火箭可能不得不往返几趟给飞船“加油”，直到在轨道飞船有足够的燃料。最佳发射窗口大约每26个月有一次，以保证地球和火星的距离足够近。
火星与地球的距离平均为2亿2500万公里，但两者的位置随着时间不同而变化，MCT从地球出发到火星将需要花费80到150天的时间，远期目标是缩减到30天，在登船前，每名乘客将需要接受数天的训练。马斯克表示MCT飞船内除客舱外，还拥有餐厅，并能欣赏电影，玩游戏，体验零重力，满足乘客地球——火星星际旅行期间娱乐需求。
多次添加燃料是降低成本的关键所在。马斯克解释说，这样能最大程度地增加飞船的有效载荷。飞船装载足够燃料后就将进入火星之旅。
下一阶段，飞船将展开发电功率200千瓦的翼状太阳能电池板。它会在太空以每小时62000英里（约每小时10万公里）的速度奔向火星，这可能需要半年以上的时间。
当飞船接近火星，并下降到火星大气层，表面将达到1700℃的温度。在接近火星表面时，火箭助推器将启动，令飞船缓缓着陆。
马斯克指出，每个飞船可携带多达100或200名乘客。乘客可以利用之前已经投放在火星上的车辆、货物与其他硬件设备逐步建立一个可以自持的殖民地。 如果在火星上建立可以自我维持的文明，可能还需要20到40年的时间。
“如果再火星上有能源，你就能获得水资源，因为火星上存在大量的冰。”他说。
马斯克甚至暗示把火星地球化的可能性：在火星大气中释放大量二氧化碳使气温变暖，并产生液态水，使其成为适合人类居住的星球。
在问答环节中，马斯克承认火星首航“死亡风险高”，对于与SpaceX签约，展开火星之旅的任何人，SpaceX并不能为生存提供100%的保证。于是，首批火星拓荒者会有宇航员，但不会有儿童，因为在另一星球上开拓出文明是死亡风险较高的事情，而宇航员有应对死亡的心理准备。
先别激动，解决了这几个问题再上天
仰望星空的马斯克一直在全世界有不少粉丝，新计划一出，中外社交媒体也是一片敬佩的惊呼：厉害了word哥！
但是，先别激动，解决了这几个问题再让我们好好烦恼是在北京买房还是去火星移民。
1、如何缩减高昂的成本？
马斯克说，“如果上火星的票价达到每人100亿美元，那么你无法发展出能自我支撑的文明。”
如果我们用上月球的科技上火星，每个人的成本就是100亿美元。如果我们移民火星的成本和美国房价中值大体相等，也就是20万美元左右，那么建立可自我持续的文明的可能性就会大大提高。”但马斯克也表示，做到这一点很难。
至于SpaceX将如何支付载人火星任务的高昂成本，马斯克没有直接回答，但他说这将是个庞大的公私合作关系，已经有很多政府与私人组织对投资火星任务感兴趣。
他还希望美国政府、富有的太空爱好者能够提供资金支持。他说：
为这一探索提供资金是很有挑战的。
但是如果我们证明了这不仅仅是一场梦，而是可以成为现实的事情，那么未来外部支持会向滚雪球般到来。
2、关于火星移民者的问题
在飞船里呆几十天去太空，恐惧而狭小的空间内，人的内心将会发生怎样的变化？这种变化是否会造成不可控的结果？途中的辐射和零重力状态是否会对移民者的健康造成影响？
以及，安全抵达了火星之后应该怎么生存？他们要怎么种植农作物？怎么保证水和氧气能持续供应？生活配套设施，如医院、学校等等机构要何时才能齐全？在此之前，在人数稀少、配套不全、环境陌生的社会中，人们会如何相处？
3、如果我想回地球了，怎么办？
马斯克对人类如何返回地球的问题也比较模糊。他说：“在火星上制造火箭推进器明显是重要的，如果飞船一直在火星上，在火星建立城市就十分荒唐了。你还要给飞船找个墓地。”他建议人类可以利用火星上的沼气制造燃料返回地球，但是沼气用量可能非常大。
这些问题都还没有答案。
马斯克的火星梦
今年4月， SpaceX宣布与NASA合作，将在2018年用重型猎鹰火箭运送一艘红龙飞船(Red Dragon)前往火星，以验证相关火星登陆技术。这艘红龙飞船也是2017年SpaceX将试飞的载人版龙飞船，但2018年的发射计划将是不载人的，只运送一些实验设备登陆火星。
NASA将向SpaceX提供太空通信服务，并获得SpaceX的飞行数据。此外，NASA希望能向火星发射重约30吨的货物。到目前为止，降落在火星上最重的货物是1吨重的“好奇号”火星车。
红龙任务只是SpaceX公司在火星建立有人居住城镇宏大计划的第一步，马斯克在今年六月的一次会议上表示将从2018年开始，每隔约26个月的火星发射窗口期执行一次火星任务，该公司首次载人火星飞行最快会在2024年执行2025年登陆。
虽然一直有声音质疑马斯克和他的特斯拉，不过说到他和他的 Space X，所谓情怀也大概就是如此了吧。马斯克的太空梦—— 我们的归途是星辰大海。
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