第六十四章《斯蒂芬·霍金传》（11）
part10时间简史：在探索宇宙的过程中著书立说《时间简史》是一部讲述宇宙学的物理通俗化科普读本。在这部书中，霍金向人们讲述了相对论、时间以及宇宙的起源等天文物理学知识。
宇宙学作为一门古老而又年轻的学科，人们对它的研究从古至今一直没有停止过。它在人们的探索中不断展示出新奇而神秘的一面，给人类以启发和思索，让人们不断去追寻和探求生命的终极意义。关于宇宙的演化，则是在近代才出现的。20世纪20年代，哈勃发现了红移定律。在此之前，虽然人们知道世间的一切物质都在运动，但是却从未将宇宙演化的观念纳入自己的意识当中，或者说，人们从来没有想到，宇宙会在不断地演化。
爱因斯坦相对论的提出，解释了宇宙的演化过程。在这一经典框架里，霍金证明了奇点的存在。因为只有存在这样的一个奇点，才能由爱因斯坦的方程推出宇宙的演化。但是科学界的理论永远都会有质疑的声音，虽然爱因斯坦的广义相对论能够诠释宇宙的演化过程，但却无法解决从牛顿时期就一直困扰人们的“第一推动力”的问题。
但是，量子力学的创立成功地解决了这个难题。霍金认为，宇宙的基本状态是一种量子态，而空间和时间是一个有限无界的四维面，就如同地球的表面，只不过多了两个维度。而宇宙当中，所有的结构都可以用量子力学来解释，霍金的量子宇宙论也让宇宙学开始成为一门真正成熟的科学。
宇宙的起源和霍金的宇宙论
在今天，我们对宇宙的描述都是基于两个理论：爱因斯坦的广义相对论和量子力学，霍金对于宇宙的描述就是基于后者。
关于宇宙，中国有“上下四方曰宇，古往今来曰宙”的说法，“宇宙”就是无限的空间和时间。早在人类的远古时期，就有学者提出关于我们生活的宇宙的种种学说和设想。最早的时候，人们认为自己生存在一个“天圆地方”的世界当中，直至公元前340年，古希腊哲学家亚里士多德在他的著作《天问》中，指出地球是一个球而非平板。1514年，哥白尼提出了日心说，人们对宇宙的认识更近一步。1609年，开普勒修正了哥白尼的日心说，对行星的运行轨道的认知由正圆矫正为椭圆。到了1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》，在这一书中，他完美地解释了时间和空间的运动理论，还提出了著名的万有引力定律。然而，这些理论只是探讨了宇宙的日常形态，关于宇宙的开端和演化却一直没有出现著名的学术作品和成果。
直到1781年，康德发表了《纯粹理性批判》这部哲学著作，在书中，他提出并探讨了宇宙之中时间是否有开端、空间是否存在界限的问题。为此，康德提出了一个矛盾的命题：假如宇宙是没有开端的，那么在宇宙当中，任何事情在发生之前必然是存在无限的时间（也可以说是在无限的时间当中，任何事情一直存在着，直到其发生）。当然，康德认为这是很荒谬的。在这个命题的基础之上，还存在一个反命题：假如宇宙有一个开端，那么在这个开端之前一定会存在着无限的时间，但是既然在开始之前就已经存在了时间，那么宇宙为什么要在一个特定的时刻才开始呢？这就如同奥古斯丁的疑问：上帝创造宇宙之前在做什么？1929年，哈勃做出一个具有重大意义的观测：不论从哪个方向观测，所有的星系都在离我们飞奔而去，越来越远。这就为后来的宇宙爆炸论和宇宙膨胀学说提供了重要依据。1927年，比利时数学家勒梅特提出了“大爆炸宇宙论”，到1948年，美国物理学家伽莫夫对宇宙爆炸进行了详细的描述和勾勒，包括爆炸后的宇宙元素的演化、星球的形成、恒星的出现、生命的诞生等。
1915年，爱因斯坦提出广义相对论，他的这一理论成为现代宇宙学的理论工具。根据广义相对论，宇宙是一个体积有限但是没有边界的静态弯曲封闭体。20世纪80年代初，科学家们创建了宇宙膨胀模型，指出现阶段宇宙正在以指数的形式不断膨胀。但是关于宇宙，人类一直没有解决一个问题——“第一推动”，而这个问题后来被霍金完美地解决了。
关于“第一推动”问题，如果用霍金的话来描述，就是“先有鸡还是先有蛋”的问题。牛顿的力学解释了宇宙的运动和发展，作为古典力学的奠基人，牛顿在唯物主义的指导下创立了万有引力。根据爱因斯坦的广义相对论，宇宙的开端必然要存在着一个大爆炸的奇点，而奇点的密度和质量都是无限大的，这一点符合牛顿的力学理论。根据牛顿第一定律，奇点总是会保持一种恒速的运动状态——静止或者匀速直线运动，直到它遇到外力被迫静止或改变这种状态。也就是说，若是没有外力的推动，奇点将会保持匀速运动或者静止的状态不变。但是，在宇宙爆炸的奇点之处，所有的已知科学定律都是失效的，大爆炸理论也是如此。不过奇点本身却是实实在在存在的，所以，我们可以知道，宇宙之所以能够出现，是因为奇点大爆炸有外力推动，这个外力就是科学家所说的宇宙第一推动力。但关于宇宙第一推动力来自哪里，是怎样产生的，牛顿一直无法找到科学的答案和解释，由于晚年信奉基督教，他便将这第一推动力归结于上帝。
真正解决第一推动力问题的是霍金，他提出了无边界条件的量子宇宙论。宇宙大爆炸理论是建立在两个建设之上的：物理学定律的普遍适用性和宇宙学原理（宇宙学原理是指宇宙在大尺度上，它的物理、化学性质的指数在不同的方向完全相同，即物理学当中的各项同性）。基于这一假设，科学家们又重新面对着第一推动力的问题。霍金的宇宙论则指出，宇宙的诞生是“从一个欧氏空间向洛氏时空的量子转变”，欧氏空间是一个特别的度量空间，可以简单地理解为一个不被扭曲的完美平面空间。霍金理论中，欧式空间是一个四维球。洛氏时空则是宏观的、宇宙的，是一个从a到b，从无到有的过程。广义相对论中，时间的起始时刻一定会有一个奇点，但是霍金认为，宇宙是一个无边界、没有奇点的闭合系统，它处在一个膨胀、收缩，再膨胀、再收缩的无限循环当中。
另外，关于宇宙的起源，霍金还有一个更加大胆的观点。他认为，我们所生活的宇宙以及其他可能存在的平行宇宙很有可能是从一个更大的母宇宙当中产生出来的。从远处来看，母宇宙就像安静的大海一样风平浪静，但是从近处看却会发现，它其实充斥了沸腾的量子，在不停地涨落。一个个张开的“虫洞”将不同的宇宙泡连接起来，而虫洞的或张开或关闭的结果就是会改变不同的场方程（场方程是描述场的运动规律的方程，例如场观念的典型代表是电场和磁场）中出现的自然常数（自然常数e，约为2.71828，是一个无限不循环小数）。宇宙波函数（波函数是概率波，其模的平方代表粒子在该处出现的概率密度，在量子力学中是描写微观系统状态的函数）破裂为很多项，不同的项中，自然常数因为概率的不同而出现不同的数值，因而就有了我们生活的宇宙。
宇宙是无限的，没有边缘
如果说哥白尼将人们对宇宙的认识从地上扩展到“天”上，那么哈勃则是将人类的视野从天上扩展到天文。1929年，美国天文学家哈勃根据观测发现，“所有星云都在彼此互相远离，而且离得越远，离去的速度越快”，并得出宇宙大爆炸在不断膨胀的结论。这一结论的出现，让科学界对于宇宙结构的讨论再次成为焦点。关于宇宙膨胀理论，很多书籍都运用吹气球来进行生动形象的说明——在一个色彩斑斓的气球上，存在着很多的斑点，随着气球被吹大、膨胀，气球上的斑点会各自越离越远。宇宙就是这个气球，气球上的斑点则是宇宙当中的星系，假设星系不会离开气球的表面，那么宇宙不断地膨胀，星系就会离彼此越来越远。
宇宙的膨胀，还有这样一个经典的例子。在一个球面上，上面间隔适当的距离就会有一只蚂蚁。我们假设蚂蚁是不会自行走动的，那么当球的半径在不断变大的时候，球面也会随着半径的变大而相应地增加，球面上蚂蚁之间的距离也会随之增大。在整个球面之上，无论站在哪只蚂蚁的角度和位置上，我们都会看到这样一种想象：其他的蚂蚁在不断地远离。通过这一假设，我们也可以更进一步来说，蚂蚁之间的距离和它们远离的速度之间是一种正比关系，距离越远，它们离开的速度也就越快。
据说，现在我们所生活的宇宙，是在距今150亿—200亿年之前发生的大爆炸而形成的。根据“宇宙大爆炸”理论，最初的宇宙是由大片微观粒子构成的均匀气体，这些微观粒子在极高的温度下“爆炸”，以很大的速率不断膨胀，经过150亿年之久的演变，成为现在宇宙的样子。
基于宇宙大爆炸理论，霍金提出，宇宙是无限的，没有边界，他的宇宙模型也是一个封闭的无边界的有限四维空间。关于宇宙无边界的思想，早在公元前的古罗马时期就有人提出。13世纪，德国神秘主义代表人物埃克哈特也提出类似的观点；到了15世纪，神学家尼古拉认为神是无限的，而神的无限性是由无限多的事物表现出来的，所以宇宙一定是无限的。受尼古拉思想的影响，布鲁诺在《论无限、宇宙和世界》一书当中提出了“无限的空间”这一概念，认为宇宙的中心无处不在，而宇宙的周边是不存在的。中国春秋时期的庄子，也曾说过“范范乎其若四方之无穷，其无所畛域”；到东汉时期，张衡则更加明确地表示“宇之表无极，宙之端无穷”，以此来说明宇宙的边界是不存在的。
1981年，霍金提出了“无边界宇宙学”理论。在这一理论当中，霍金表示，宇宙当中的一切在原则上都是可以分离出来，与其他个体无任何关联的，都能够单独地由物理定律来预言。从量子学的意义上来讲，宇宙本身就是一个从无到有的过程；在经典的意义上来说，宇宙则是没有起源。霍金的宇宙无边界理论则是在爱因斯坦的广义相对论和量子力学理论的基础之上提出的，在上文中，我们已经探讨了霍金的宇宙论，他认为宇宙是一个从欧氏空间向洛氏时空的量子转变。在量子态的宇宙观念当中，欧式空间来自绝对的无，欧氏空间向洛氏时空的量子转变实际上就是实现宇宙从无到有的一个过程。霍金的宇宙无边界理论当中涉及很多弯曲时空中的量子场和量子引力论等很多的物理学说，但是有一点可以明确，霍金的宇宙模型就是一个空间有限但无边界的闭合宇宙空间，宇宙是没有边界的。这一点如果真的成立，那么也就说明宇宙可以自给自足，而在此之前科学界未解的第一推动力的问题也就不存在了。
“无边界宇宙学”理论提出之后，几乎适应于所有的量子宇宙学的理论框架，因此，所有的量子宇宙学研究都开始围绕霍金的这个闭合宇宙模型而展开。当然，霍金的这一理论在当时还只是猜想，并没有得到科学界的证实。因为宇宙到底是有限无边界闭合型还是无限无界的开放型，取决于我们现在所接触到的宇宙当中的物质的密度。宇宙当中的物质密度会产生引力，其产生的引力是否足够大，是否能使不断膨胀的宇宙的膨胀速率有所减缓甚至停止膨胀，成为摆在科学家面前的重大研究课题。在1998年之前，宇宙学者们的研究发现，宇宙当中的可见物质密度总和约为使宇宙停止膨胀的1/3，也就是说，根据这一结论，宇宙仍旧以一种开放空间的状态在不断地膨胀下去。为此，人们一直在找寻将霍金的封闭无界宇宙的理论推广成开放的情形，但是却一直没有找到合适的依据和支撑。1998年，霍金在他的《没有假真空的开放暴涨》论文中，才部分解决了这一问题。他依旧是利用四维球的欧氏空间的对称性以及爱因斯坦的方程，来演化封闭无界宇宙的理论推广成开放的过程。但是这样的演化依旧是一种有始无终的过程，这个推广在实际上也不尽如人意，因为宇宙空间无论是闭合的，还是平坦的、开放的，它都会无限地膨胀下去，而且膨胀的速度会越来越快。
一直到2012年，霍金的宇宙无边界猜想被剑桥大学理论物理学家陈中源严格证明成立。陈中源的证实表明，先前存在的量子态宇宙实际上是不存在的，而“无边界宇宙学”则是在经典意义上成立的。也就是说，宇宙没有无中生有，也没有创生和毁灭，它是没有边界的存在，能够实现彻底的自给自足，宇宙是以有限的四维球面的形式而存在的。由此我们可以得知，宇宙确实没有起源，因此也就不存在先前讨论的第一推动力的问题。此外，霍金所说的四维球面宇宙相当于一个无限的四维球体宇宙，而整个宇宙实际上只是一个曲率半径非常小的四维球面，但是以其内部的物质作为参考系来看的话，它的空间又无限大。这一体系的成立，标志着相对完整的无边界宇宙学理论框架基本完成，霍金的这一理论不再是猜想，而是严格成立。至此，“无边界宇宙学”不但在数理上无懈可击，而且与所有坚实的实验观测完美符合。
时间和光不是一种东西
光速在真空当中是一个物理常数，它的代表符号是c，相当于299792458米每秒。在爱因斯坦的广义相对论当中，光速是最快的速度，没有任何物体或者信息的速度可以超过光速。对于人来说，光是一种不可捉摸的物质，在物理学的定义当中，光是能量传播的一种方式。光源之所以能够发光，是因为当中有分子和原子的运动。简单地说，光是沿着直线进行传播的，它在传播过程当中不需要任何的介质。但是，由于受到介质的影响，光在传播当中可能会发生偏折，产生光的反射和折射现象。
关于光，我们可以用一个通俗的事例来说明。假设有一个人驾驶一辆车在高速公路上行驶，在高速路上，他驾驶车辆的时速是100千米。如果此时他看到一辆时速200千米的车辆，那他会是怎样的感觉呢？如果这样，他会发现两种不同的情况：如果时速100千米的车辆和时速200千米的车辆是同向行驶，那么他会觉得时速200千米的车辆目测的车速也就是100千米；如果他们是对向行驶，那么在车速100千米的驾驶员看来，对方的车辆行驶速度将会达到300千米。这就是目测光速的试验。从这项试验当中我们可以看出，对光速的测定是存在缺陷的，因为无论是处在运动还是静止的状态当中，光的速度都是恒定不变的。因此，后来科学家们也对此进行了修正。
而时间则是一个抽象的概念，它不会受外界的影响，是用来描述一个事件的发生过程或者一个物质运动过程的参数。宇宙大爆炸理论认为，时间的起点是宇宙爆炸的奇点；根据爱因斯坦的广义相对论，时间、空间、物质三者是不可分割的；霍金也认为，物质与时空并存，只要有物质存在，时间便会有意义。具体来说，时间是由能量的变化而产生的，能量的膨胀和扩散，就被称为“正时间”，而正时间的流逝速度和能量的膨胀扩散速度成正比；反之，能量的聚集和收缩被称为“负时间”，同样，能量的聚集收缩速度和负时间的流逝速度成正比。那么，在时间轴上就会存在方向相反的正时间和负时间。正时间和负时间这两种时间是不能单独存在的，某一刻的时间一旦停止，那么产生这一刻时间的能量也会随之消亡。物理学定理当中没有时间的概念，时间并不会参与到物理学的计算中去，不过这并不代表时间不存在——它是作为物理学当中的一个基本物理量而存在的。时间是绝对的，它与宇宙当中的任何事物都没有关联，无论人们采取什么样的方式去对比和证明，时间都会以相同的速度流逝。即使是世界上所有的钟表都消失了，时间仍然会继续存在。
对于光和时间的关系，广义相对论提出，物体总是沿着四维时空的直线行走，但是在我们看来，直线行驶的物质在三维的时空里路线却是弯曲的。例如，在天空中飞行的飞机，我们看到它在空中是直线飞行，但是它落在地上的影子却是一条弯曲的路线，这就在于我们看到它在空中飞行是三维的空间，而影子则是在二维的地面。由此可知，引力与其他种类的力是不同的，它只是由于时空的不平坦而出现的。据此，在大质量的物体附近，时间的流逝相对要慢一些。这是由于光能量和光频率（光在每秒内搏动的次数）存在着正比关系：能量越大，频率越高。当光从引力场较大的大质量物体旁经过，它的能量就会变小或消失，因而光频率下降，时间变慢。通俗来讲，光线在引力场中就会出现弯曲，引力场越大，弯曲强度越大。广义相对论提出，在强引力场当中，时钟要走得慢一些。
从概念上我们可以得知，时间和光完全是两种不一样的东西，时间也不等于光速。那么时间和光速到底是怎样的一种关系呢？在探讨这一问题之前，我们先看一下这样的一个例子：在一条足够长的笔直的公路上，假设a站在甲地，在一个特定的时刻——比如上午8：00，a以光速从甲出发向前行驶。当a开始运动的那一刻，a的所在地甲所发生的一切也恰好以光速向周围传播。10分钟之后，也就是到了8：10，a到达了乙地。到了乙地之后，a在甲地所面临的情况仿佛也跟随他一起到达了乙地，那么当他再回过头去看甲地的时候，那里还是10分钟之前的样子，对于a来说，时间已经停止了。我们可以再这样设想一下，如果当初a的前进速度不是光速，而是高于光速的2倍，那么10分钟之后a到达丙地，而相比之下，a以光的传播速度到达丙地却需要20分钟，也就是说，这时如果a再回过头看甲地，那么他看到的将会是7：50这个时刻的甲地，对于他来说，时间向后倒流了。
这种情况的出现，其实是基于爱因斯坦的狭义相对论。在狭义相对论当中，光速是恒定不变的，所以一个物体的运动速度如果接近光速，就会产生时间变慢的钟慢效应；如果等同于光速，就会产生时间静止的钟停效应；如果超过光速，则会产生时间倒流的钟倒效应。而时间又分为客观存在的绝对时间和人们通过主观感觉到的相对时间。绝对时间是一根矢量的单向轴，它只能向前，不能回转，也无法停止。而相对时间则不同，它既可以超越，也可能停止，或者可以倒流。所以，当a接近或者超过光速前进的时候，从a的主观角度来看，他会发现时间停止或者倒流了，不过这种停止或者倒流只是相对时间的变化，而绝对时间并没有发生改变。
时空观的发展和演化
在哲学意义上，时间和空间的存在是用以表达事物的演化过程和秩序。它们都是一种绝对概念，时间表示永远向前，是没有起始和终结的一种存在，而空间则是抽象的生灭范围。在物理学上，时间和空间是用来描述物体物理运动的两个维度，成为构成物理学的两个基石。宇宙大爆炸理论认为，时间的起点源自于宇宙爆炸的奇点；而经典时空观则表示，时间是在物体及其运动之外而独立存在的。从一般的意义上讲，时间是物质存在的“持续”属性，空间是物质存在的“广延”属性。
对时间和空间的认识，物理学当中分为三个阶段——经典力学阶段、狭义相对论阶段和广义相对论阶段。
牛顿在他的经典著作《自然哲学的数学原理》一书中说：“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变”，“绝对的、纯粹的数学的时间，就其本性来说是均匀地流逝，而与任何外在的情况无关”。这反应了牛顿的绝对时空观。对于“绝对”，我们可以这样理解：时间和空间与观测者的运动状态没有任何关系，空间和时间的本性是与任何物体及其运动无关的。从中我们也可以看出，牛顿认为时间是绝对存在的，在他的论述当中，时间的绝对属性主要从以下几个方面可以看出：第一，时间是一种非物质性的独立存在，不论外界怎样变化，时间的流逝是不变的；第二，时间没有开始和结束，是一种永恒的存在；第三，即使从空间上来讲，时间也不能被区分，所有的时间都是统一的。虽然人类参照物的选择不同会导致时差的存在，但是时间的本质属性是不会改变的；第四，时间是矢量的，它只能向前，不能停止或者倒退。
对于空间的绝对性，在《自然哲学的数学原理》一书中，牛顿是这样概述的。其一，空间是一种静止的虚空状态，它是一种不依附于任何事物的客观存在；其二，空间是无限的，它没有边界、没有范围；其三，空间是一种抽象的非物质的概念，它和时间一样，是一种不依靠任何物质的绝对存在；其四，时间的变化影响不到绝对的空间，无论时间怎样变化，都不会影响到空间。牛顿绝对的时空观认为，在经典力学的理论当中，时间和空间是分开的，处在时空当中的物体，它们的位置和速度是相对的，而时间长度、时间间隔、运动物体的加速度是绝对的或不变的。但是，牛顿的绝对时空观也引发了科学界的质疑，因为绝对时空观建立在牛顿经典力学的基础之上，但是牛顿力学的正确性却并不要求一定要存在绝对的空间。而事实上，当时也没有确凿的证据表明绝对空间的存在，况且牛顿的力学体系也无法建立简单的宇宙图像。
爱因斯坦提出狭义相对论，对伽利略的相对性原理进行了扩展。在爱因斯坦的狭义相对论当中，光速是恒定的，因而他从中推导出时间和空间的间隔也是不变的量。也就是说，除了能量守恒和动量守恒之外，时间和空间的平移，它们之间的量也是不变的。狭义相对论否定了牛顿经典力学的绝对时间和绝对空间理论，认为时间和空间并非是分离存在的，而是通过光速不变的原理将一维时间和三维空间联系起来，构成四维时空。而随狭义相对论之后，爱因斯坦广义相对论的提出，则对物理学界的时空观念来说，又是一次变革。
按照广义相对论，因为物体之间存在着引力和惯性力，这两种力相互作用，就不可能有普遍大范围的惯性系。那么，在宇宙当中，存在惯性力的时空，就会是仍然平直的四维时空；但是存在强大的引力场的时空，就不会是平直的了。存在强大的引力场的时空是一种弯曲的时空，这种时空的弯曲程度是由引力方程来决定，而弯曲的时空本身就是引力场。这一理论在提出之后，就受到广泛的研究和证实。不过到了20世纪中后期，各项研究表明，由于各种物理定律在奇点之处会完全消失，那么时空的引力场也会在奇点处失去意义，这成为广义相对论时空观中的一项问题。在20世纪初，物理学从经典力学开始向量子理论变革，量子理论使人们对于时间和空间的研究更加深入。霍金对时间和空间的认知和理解即建立在爱因斯坦的广义相对论和量子理论的基础之上，他认为时间是由能量产生的，能量的变化产生了时间，也就是说，从第一粒粒子发生运动的时候，时间就产生了。在霍金的宇宙理论当中，他认为之前物理学家所说的奇点是不存在的，宇宙的产生实际上是一个从欧氏空间到洛氏时空的量子转变，是一个从无到有的过程，因此也就不存在奇点这一说。时间是绝对的，它从无限的过去向无限的将来流逝，而空间却是没有边界永恒存在的。空间和时间是具有无限曲率的一个点，时间和空间是一个整体，它们是同时存在，不可分割的。
人类是否可以实现时间旅行
在爱因斯坦的相对论诞生之后，科学家曾经提出过一个令人非常感兴趣的疑难问题——双生子佯谬。这个问题是说有一对双生子——我们暂且称呼他们为a和b。他们两个人出生之后生活的轨迹就截然不同。a一直生活在地球上，而b则在很年轻的时候就乘坐火箭进入太空去做星际旅行了。根据爱因斯坦的相对论，b经过漫长的时光和岁月旅行返回地球之后，一定会出现这样的情况：由于经历的时间不同，a与b这一对孪生子在重逢之后，经历星际旅行的b一定会比a要年轻很多。之所以会出现这样的情况，是因为b的旅行是一种穿越时空的旅行。
时空旅行是从一个空间通过某种途径转移到另一个时间段不同的空间，即我们所说的穿越到过去或者未来。时间旅行是科学界一直在探讨和研究的课题，关于时间旅行的可行性，也一直存在着两种不同的观点。持有质疑观念的一派，最著名的就是“外祖父悖论”：假设你通过时间旅行回到了过去，在你的母亲出生之前见到了你的外祖父，然后杀掉了他。那么，既然你的外祖父被你杀掉了，那也就不会有你的母亲，你自己也不会存在。既然如此，也就没有通过时间旅行回到过去的你的存在了。“外祖父悖论”常常被用来论证时间旅行是不可能存在的，但是也有一些科学家持有不同的意见，认为时间旅行是可以实现的，其中就包括英国著名物理学家斯蒂芬·霍金。
霍金认为，“时光旅行在理论上是可行的，人类可以打开回到过去和通向未来的捷径。”为了实现时间旅行，霍金认为，人类应该首先接受时间作为第四维这一观念。为了更好地解释第四维，他举了一个这样的例子：人们驾驶一辆汽车在陆地上行驶，汽车向前进和向后退属于第一维；向左转弯或者向右转弯属于第二维；如果遇到了山坡，向上爬行或者下坡属于第三维；而剩下的时间，则是第四维。而时间旅行就是依靠第四维的前进或者后退来实现的。
霍金研究了时间旅行的可行性，认为人类可以通过三种方法实现时间旅行。
第一种方法是通过虫洞。虫洞是在宇宙当中可能存在的，用来连接两个不同时空的一种狭窄的隧道。通过虫洞，可以将平行宇宙和婴儿宇宙相互连接起来，因此它提供了时间旅行的可能性。霍金认为，虫洞是穿越第四维的通道，虫洞就是第五维空间。世界有许许多多的缝隙和洞孔，这些洞孔和缝隙存在于我们生活的方方面面。而时间当中也存在着许许多多的裂缝和孔隙，只是这些裂缝和孔隙非常小。在物理学当中，这些比分子、原子还有小的时间孔隙被称为“量子泡沫”，而我们周围的虫洞就存在于这些“量子泡沫”当中。随着科技的发展和进步，以及人们对宇宙的不断认知，霍金认为，在未来的某一天，人类或许能够发现某一个虫洞，通过科技手段将它放大到能够让人类的飞船从中穿越而过，那么人类就会实现时间旅行。
第二种实现时间旅行的途径是通过黑洞。爱因斯坦提出，物质的质量会影响时间的快慢，物体越重，对时间的阻力就会越大，所以在高质量的物质周围，时间的流逝速度会明显低于低质量物质周围的时间流逝速度。而这一发现成为通向时间旅行的路径。根据爱因斯坦的这一理论，霍金认为，黑洞是时间旅行的天然“交通工具”。在银河系当中，有许多质量无限大的黑洞存在着，这些大质量的黑洞会对时间产生极大的影响，在它们周围，时间的流逝速度将会出奇地缓慢，这就使它们成为一台天然的“时间机器”。如果一艘宇宙飞船进入了一个这样大的黑洞，相对于地球上的时间，在黑洞内的时间将会减少一半，即以黑洞内的时间为参考，如果进入黑洞的宇宙飞船在黑洞内运行了一年的时间，那么相对于地球来说，则是过了两年时间。而对于利用黑洞来完成时间旅行，人们对黑洞的认知还是不够全面，而接近大质量的黑洞又太过于危险。
第三种实现时间旅行的方法是通过光速，光速是时间旅行的关键。光速是人类目前已知的宇宙中最快的速度，任何物体都无法达到光速。到目前为止，人类历史上速度最快的飞船是阿波罗10号，它的飞行速度能够达到2.5万英里每小时，相当于每小时能够飞行4万千米。但是要实现时间旅行，速度要达到阿波罗10号最快飞行速度的27000倍。霍金认为，如果人类能够建造出速度接近或者超过光速的宇宙飞船，那么太空船由于无法违背光速最大的这一法则，就会导致太空船的时间变慢。霍金的设想当中，高速太空飞船在太空中飞行数年之后，其飞行速度将会达到光速的99%，这也就意味着在太空船上待一天，地球上就已经过去了一年，船上的乘客也就去到了未来。
当然，霍金虽然提出了三种能够进行时间旅行的途径，但他也认为，在某种意义上，回到过去的旅行应该永远不会上演，时间机器只能带人们飞去未来，而不能回到过去。因为这涉及历史和很多的科学悖论，例如他提出的“疯狂科学家”悖论：一个科学家建造了一个虫洞，他通过虫洞穿越到了一分钟之前的过去，看到了一分钟前的自己，于是他开枪将一分钟前的自己给杀死了。那么问题来了，既然自己在过去已经死去了，那么又是谁开的枪呢？所以回到过去会违反基本的因果论。但是虽然如此，也并不意味着所有的时间旅行都不可能，霍金表示，他对时间旅行深信不疑，他也相信，在不久的将来，人们会实现通向未来的时间旅行。