时间旅行之所以成为科幻小说的重要主题，并不是没有理由的。谁不想回到过去，探索神秘的历史，或者拯救世界于危难？时间旅行检验了人类科学理论的极限，科学家也在理论物理学的背景下进行了深入研究。如果时间旅行是可能的，它将对从宇宙起源到自由意志的存在等一切事物产生影响。时间旅行理论的核心问题之一便是会引起逻辑悖论，但一些研究人员认为，他们已经解决了这个棘手的问题。
在了解他们工作的细节之前，让我们谈谈时间旅行在理论物理学中意味着什么。在广义相对论中，并没有代表宇宙时间或年龄的大型宇宙时钟。时间不是绝对的，而是相对的。一个物体的时间流动速率取决于它相对于另一个物体的运动方式。我们每个人对时间的体验都是独一无二的。这意味着一个物体的位置，是由它在空间和时间上的位置来定义的。这就是为什么时间有时被称为第四维度，尽管我们不能从字面上理解这个概念，但四维空间的确是一种很好的想象时空的方式。
当你在空间中移动时，你其实也在时间中移动。在物理学中，这意味着我们可以在时空中画一条线，代表你在时空中的路径或运动。这就是所谓的“类时曲线”。从诞生到死亡，你的整个生命都可以像单行线一样进行追溯。这在狭义相对论中很简单，但在广义相对论中，事情变得复杂了。在相对论中，引力是由时空的扭曲引起的。正如美国理论物理学家约翰·惠勒曾经说过的：物质告诉时空如何弯曲，而时空告诉物质如何移动。由于引力的作用，你的类时曲线既可以弯曲，也可以扭曲。
因此，如果你可以弯曲类时曲线，使其形成一个闭环，这就是一个封闭类时曲线（closed timelike curve，简称CTV）。这将意味着无论如何，你的人生道路和生活选择都将不可避免地将你带回出生的地方和时间。恭喜你，你以某种方式回到了过去。在理论物理学中，如果时间旅行是可能的，那么创造一个封闭类时曲线也是可能的。
实际上，广义相对论允许封闭类时曲线的存在。1949年，数学及逻辑学家库尔特·哥德尔设计了一个具有封闭类时曲线的旋转宇宙，并且是完全被相对论允许的。尽管我们并不生活在哥德尔的宇宙中，但后来的研究显示了封闭类时曲线会如何在我们的宇宙中被创造出来。从粒子物理学和量子理论的某些方面来说，时间旅行是不可能的。但是就广义相对论而言，时间机器还是有可能制造出来的。
那么，就让我们假设可以制造一个这样的时间机器。现在有一个矛盾的问题是，假设有人回到1955年，阻止他爸爸邀请妈妈去参加舞会。他们没有初吻，没有恋爱，没有结婚，这意味着这个人永远不会出生。但如果他没有出生，就不能拆散他的父母，那这不就意味着他出生了？好吧，电影《回到未来》（Back to the Future）里的情节只是祖父悖论的一个例子。由于时间旅行允许你打乱你旅行的原因，因此并没有你可以遵循的一致时间线。
解决这一矛盾的方法之一，便是假设一系列的事件总是能够防止悖论的发生。科幻作家拉里·尼文称其为“历史守恒定律”；但在物理学中，这被称为“诺维科夫自洽性原则”（Novikov self-consistency principle），以俄罗斯物理学家伊戈尔·德米特里耶维奇·诺维科夫的名字命名。他的这一原则表明，在任何情况下，你总是可以定义一个无悖论的解决方案。该原则的一个奇怪结果是，你可以通过某种方式，产生一种自我导致的效应。例如，你可以回到过去把你的父母介绍给对方；而如果你没有回到过去，你就永远也不会出生，但你回去了，所以现在就有了你。
虽然自洽性原则确实解决了这个悖论，但很多人不喜欢它，因为这意味着你无法改变你的想法，过去的一切都已经刻确定下来。你出生了，所以你必须回到过去，介绍你的父母相识；你不能改变主意，决定不回去。你的未来，就和你的过去一样，都已经确定下来。自由意志就只有这些。
但是，自由意志是一种幻觉，对吧？毕竟，我们的大脑和身体和行星、恒星一样，都是由相同的物质构成的，都遵循同样的物理法则。我们所拥有的自由意志并不比一个扔出去的球更多。我们生活的故事不是我们每天写的日记，而是一本早在你出生之前就被宇宙的物理法则约束并提前印好的书。尽管这可能是真的，但时间旅行甚至可能会阻止选择错觉，这看起来很奇怪。考虑到人类的本性，一些时间旅行者肯定会试图创造一个悖论，来看看会发生什么。
于是便有了这篇新论文。澳大利亚昆士兰大学的杰慢·托尔巴和法比奥·科斯塔并没有着眼于时间旅行的物理学，而是探索时间旅行在数学上的一致性。他们研究了我们是否可以在拥有一个封闭类时曲线的同时，仍然拥有复杂的动力学。换句话说，你能回到过去，但至少拥有自由意志的幻觉。他们发现，你可以做到这一点，但需要以一种令人惊讶的方式。
他们发现封闭类时曲线允许复杂系统的存在，因为时间闭环的约束不能唯一地定义单个路径。相反，有多种方式可以组成封闭类时曲线。因此，时间旅行者总会有很多选择。如果你出生是因为“未来的你”为你的父母安排了一次约会，那你就会出生；但你也可以自由选择生活中的其他事情。也许你回到了自己50多岁的时候，而不是20多岁的时候。也许你试图把你的父母分开，但失败了。各种各样的事情都可能发生。关键在于，你必须使这个曲线闭合，同时自由地做出其他选择。即使时间旅行存在，也不会扼杀自由意志。
当然，这项工作并不能证明我们有可能时间旅行，而只能证明时间旅行是动态一致的。如果你发现自己回到了过去，那你可以放心，你的人生故事还没有结束。
当你抬头仰望夜空时，你怎么知道你所看到的那些光点是明亮而遥远的，还是相对微弱而近？一种方法是比较物体实际发出的光和它看起来的亮度。它的真实亮度和表观亮度之间的差异，揭示了一个物体与观察者的距离。测量天体的亮度是一项挑战，尤其是对于不发光的黑洞。但是位于大多数星系中心的超大质量黑洞提供了一个漏洞：它们经常拉拽周围的大量物质，形成能发出明亮辐射的吸积盘。
通过测量明亮黑洞吸积盘的亮度，天文学家可以测量到黑洞及其所在星系的距离。距离测量不仅可以帮助科学家创建一个更好的宇宙三维地图，还可以提供关于这些天体是如何以及何时形成的信息。在一项新的研究中，天文学家使用一种被戏称为“回声映射（Echo mapping）”的技术来测量500多个星系中黑洞吸积盘的光度。在发表在《天体物理学》期刊上的一项新研究，支持了这种方法可以用来测量地球和这些遥远星系之间距离的观点。
当靠近黑洞的热等离子体（失去电子的原子）变得更亮时，就开始了回声映射的过程，有时甚至会释放出短暂可见光耀斑（即人眼能看到的波长）。光离开了黑洞吸积盘，最终会遇到一个大多数超大质量黑洞系统的共同特征:一个巨大的尘埃云，形状像甜甜圈(也被称为环面)。当来自吸积盘的闪光到达布满尘埃的圆环内壁时，光线被吸收，导致尘埃升温并释放出红外光。
黑洞的“回声映射”
这明亮的环面是一个直接回应，或者，有人可能会说一个“回声”的变化发生在吸积盘。从吸积盘到尘埃环体内部的距离，可能是巨大的（数十亿或数万亿英里）。即使是以每秒300000公里速度飞行的光，也需要数月或数年才能穿过它。如果天文学家能观测到吸积盘中最初的可见光耀斑和随后的环面红外亮度，就能测量光在这两个结构之间传播的时间。因为光以标准的速度传播，这个信息也给天文学家提供了吸积盘和环面的距离。
然后，科学家可以利用距离测量来计算吸积盘的光度，以及理论上它与地球的距离。原因是这样的：吸积盘中最接近黑洞的部分温度可以达到数万度高到连原子都被撕裂，尘埃颗粒也无法形成。吸积盘发出的热量也使其周围区域变暖，就像寒冷夜晚的篝火一样，在远离黑洞的过程中，温度逐渐降低。天文学家知道，当温度下降到大约2200华氏度(1200摄氏度)时，尘埃就形成了。
篝火越大（或者说吸积盘辐射的能量越多），尘埃就会离它越远。所以测量吸积盘和环面之间的距离，就可以得到吸积盘的能量输出，这与它的光度成正比。由于光可能需要数月或数年才能穿过星盘和环面之间的空间，天文学家需要数十年的数据。这项新研究依赖于近20年来对黑洞吸积盘的可见光观测，这些观测是由几架地面望远镜捕捉到的。
遥远的星系
尘埃发出的红外光被美国宇航局（NASA）近地天体宽场红外探测探测器(NEOWISE)探测到，该探测器之前被命名为WISE。该航天器大约每六个月对整个天空进行一次勘察，为天文学家提供了反复观察星系和寻找这些光“回声”的机会。这项研究使用了WISE/NEOWISE在2010年至2019年间收集的14次天空调查。在一些星系中，光要用10年以上的时间才能穿过吸积盘和尘埃之间的距离，这是迄今为止在银河系以外测量到的最长回声。
利用回声映射来测量从地球到遥远星系距离的想法并不新鲜，但这项研究在证明其可行性方面取得了重大进展。这项研究是同类研究中规模最大的一次，它证实了在所有星系中，无论黑洞的大小等变量如何变化，回声映射都是一样的，但是这项技术还没有进入黄金时段。由于多种因素的影响，距离测量缺乏精度，最值得注意的是，天文学家需要更多地了解环绕黑洞尘埃圈内部区域的结构。这种结构可能会影响尘埃在光线第一次到达时所发出红外线的波长。
WISE的数据并不包括整个红外波长范围，更广泛的数据集可以改善距离测量。美国宇航局南希格蕾丝罗曼太空望远镜将于本世纪20年代中期发射，它将提供不同红外波长范围的目标观测。该机构即将进行的SpHEREx任务（代表宇宙历史、再电离时代和冰探测者的光谱光度计）将在多种红外波长下探测整个天空，并有助于改进这项技术。该研究的主要作者，伊利诺伊大学厄本那-香槟分校研究员钱扬说：
标准烛光
回声映射技术的美在于这些超大质量黑洞不会很快消失，黑洞盘可能会经历数千年甚至数百万年的主动扩口，因此，我们可以为同一系统反复测量灰尘回波，以改善距离测量。基于亮度的距离测量，已经可以用已知光度的“标准烛光”对象来完成。其中一个例子就是一种被称为1a型超新星的爆炸恒星，它在发现暗能量（暗能量是指宇宙加速膨胀背后的神秘驱动力）方面发挥了关键作用。1a型超新星的光度都差不多，所以天文学家只需要测量它们的表观亮度就能计算出它们与地球的距离。
用其他标准蜡烛，天文学家可以测量一个物体的性质，以推断其特定的光度。这就是回声映射的情况，每个吸积盘都是唯一的，但测量光度的技术相同。对于天文学家来说，使用多种标准蜡烛有很多好处，比如可以比较距离测量结果以确认它们的准确性，而每种标准蜡烛都有各自的优缺点。测量宇宙距离是天文学的一个基本挑战，所以有可能有一个额外的技巧非常令人兴奋。
