穿越时空去往过去，是人类长久以来的梦想。从经典的科幻电影比尔和泰德历险记，到物理学界设想的虫洞与旋转宇宙，各种关于时间旅行的奇思妙想层出不穷。然而，现实中始终不见未来访客的踪影。近期，济南大学物理学家张宏升带来了一项研究，仅用3行简短的数学公式，就从几何层面否定了许多可能宇宙中重返过去的可能。
这项研究巧妙借用了描写光线传播的传统工具零程程函方程。令人惊叹的是，整个证明过程极其简练，仅依赖一个基本的几何事实：在符合标准度规的四维时空几何里，光线的传播方向（零矢量）与观测者在时间中前行的方向（类时向量），在代数上绝不可能处于相互垂直的90度角。
正是这一几何正交限制，在数学上约束了时空流形上的因果结构，导致某种特定的全局标量函数在任何质点的运动轨迹旅程中都必须沿着时间持续增长。这意味着，沿着时间前行的旅行者就像行驶在一条没有倒车道、没有掉头口、甚至没有临时停靠带的单行道上。你只能顺着时光的车流一路向前，无法绕回过去的起点。
在此之前，物理学家为了排除时间循环，通常需要建立非常复杂的理论体系。例如要求定义全宇宙统一向前滴答的宇宙钟，或者要求宇宙物质必须满足能量密度恒为正数的条件，以禁止负能量和异介质的存在，又或者从时空拓扑边界的复杂结构入手。而张宏升提出的方程模型，为禁止闭合时间循环提供了纯几何视角的第4类判制标准。它不需要复杂的量子效应或奇点限制，仅仅通过记账般梳理光矢量的方向，就把整个时空的因果网络浓缩进了一个简洁的微分标量方程中。
这种方法最独特之处在于切分时空视角的变化。传统的时空切分依赖空间切面，需要定义时间点、宇宙钟和观察者。而新方法则是用光线(零曲面)直接来几何化切分时空。光所占据的曲面由时空几何本身直接决定，不需要观察者或者人为设定的闹钟。
当然，定理也留出了2种理论上的例外情况。如果要打破这一禁令创建闭合的时间循环，宇宙时空流必须在局部或整体上发生极端的几何或拓扑扭曲。比如在巨大旋转黑洞周围，强烈的引力参考系拖拽效应（Frame-dragging）会将时空像麻花一样剧烈拧紧；或者宇宙本身的拓扑结构像卷饼一样首尾相接。这些例外情况反过来告诉人们，如果想要打造一台时间机器，究竟需要突破怎样的物理极限。
这项研究不仅用极其简洁的形式探讨了时空的深刻法则，也让我们离揭示自然本质更近了一步。
（示意图/pixabay）
