简单来说，因为相对论的一个最基本的前提假设就是：光速是任何运动的速度极限，是不可能被超过的。这一假设并非爱因斯坦凭空想象，而是基于大量实验观测和理论推导得出的必然结论。
而一旦允许超光速运动，那么相对论本身就被推翻了，又何谈“根据相对论”呢？这种逻辑上的自洽性是物理学理论的基石。
但上述解释肯定会让人觉得有些“霸道不讲理”，甚至有些“用结果推导原因”的味道。那么让我们暂时抛开这个逻辑循环，更深入地思考：为什么宇宙会设定这样一个速度极限？这个极限对我们理解宇宙的本质意味着什么？要回答这些问题，我们需要重新审视我们对时间、空间以及它们之间关系的理解，我们需要进行一次从日常经验到宇宙本质的思维跃迁。
自从相对论诞生以后，我们看到，时间和空间再也不是两个毫无关系的概念了。在牛顿的经典物理学中，时间是绝对的、均匀流逝的背景，空间是静止的、无限延伸的舞台，物体在这个舞台上按照固定的法则运动。时间和空间就像两个互不干涉的维度，各自独立地存在着。
然而，爱因斯坦的相对论彻底颠覆了这一观念。时间和空间就像是焦不离孟、孟不离焦的一对结义兄弟，又像是难分难解地纠缠在一起的DNA双螺旋结构。我们再也不能只谈空间而不谈时间，只谈时间而不谈空间，因为它们已经成为一个不可分割的整体——时空。
爱因斯坦指出，时间和空间不仅不能独立于宇宙而存在，而且不能互相独立。
引力不可能只使得空间弯曲而时间却安然无恙。当一个大质量物体（如太阳）弯曲它周围的时空时，它既弯曲了空间，也弯曲了时间。这种弯曲效应已经被无数实验证实，从水星轨道的近日点进动，到引力红移，再到引力透镜效应，所有这些现象都指向同一个结论：时空是一个可以被质量和能量弯曲的实体。
这种深刻的洞察彻底改变了我们对宇宙的看法。从此，我们多了一个新的名词——时空。请注意，千万不要把“时空”等价于“时间和空间”的简单相加，时空就是时空，它是一个整体，就好像你不能把“牛奶”看成是“牛”和“奶”的简单相加一样。牛奶有牛奶的特性，牛和奶各有各的特性，将它们简单相加无法得到牛奶的全部特性。同样，时空有时空的特性，时间和空间各有各的特性，将它们简单相加无法得到时空的全部特性。
这种整体性意味着什么呢？意味着我们不能再像牛顿时代那样，把宇宙看作是一个巨大的三维舞台，时间则是一个独立于舞台之外的、均匀流逝的钟表。相反，时间和空间交织在一起，形成了一个四维的连续体。
在这个连续体中，任何事件都需要用四个坐标来描述：三个空间坐标和一个时间坐标。更重要的是，不同观察者对于时间和空间的测量结果可能会不同，但所有观察者都会同意事件之间的“时空间隔”是绝对的。
被我这么一解释，我知道你开始对“时空”这个词感到疑惑了。你能想象出时间，也能想象出空间，但是你却无法想象出时空的模样。这很正常，因为我们的直觉是在低速世界中形成的，而时空的概念只有在接近光速时才会变得明显。我们的日常经验建立在牛顿物理的基础上，我们习惯了绝对的时间和空间，习惯了同时性的绝对性。要理解时空，我们需要进行一次思维的跳跃，需要暂时放下我们的日常直觉，跟随一些思维实验重新构建我们的认知框架。
请跟随我来，让我帮你在头脑中建立“时空”这个诞生于20世纪的伟大名词。它是人类对宇宙认识的一次大飞跃，我将带你踏上一段从日常经验到抽象理解，再从抽象理解回到物理现实的惊奇之旅。
我们的故事要从一次跑步开始讲起。这个故事无所谓年份，无所谓地点，无所谓具体人物。为了叙述的方便，就让我们一起去学校的操场跑步吧。
现在，让我来计时，你来跑步。我们的规则是跑两次：白天一次，晚上一次。你先克制一下你的疑惑，让我们跑完再说。
白天这次你跑了16.8秒，离达标还差一点。为了晚上取得更好的成绩，你努力锻炼了一下，试图恢复一些当年的勇猛。晚上又跑了一次，这次你自我感觉很不错，觉得应该会比白天那次跑得更好一点，可是我把成绩一告诉你，你却吃了一惊，怎么反而只有17.2秒了？
下面这幅示意图可以解释为什么你晚上状态更好，成绩却更差了。
原因很简单：晚上视线太差，黑漆漆的你跑了一条斜线都不自知。你本应沿着跑道的直线奔跑，但由于视线不清，你实际上跑了一条斜线，这条斜线的长度显然比直线要长，所以尽管你的跑步速度可能确实比白天更快，但由于路程更长，总用时反而增加了。
看了这张图，你恍然大悟了，原来你小子让我在晚上跑步是别有用心的，故意就是要让我把方向跑偏。你不用生气，为了科学，牺牲这么点儿自尊不要紧。现在我来问你：“假设你两次跑步的速度是一样的，为什么晚上的用时比白天更长了呢？”
你白了我一眼说：“你这不是明知故问嘛，晚上我方向跑偏，跑的路程更长了，所以用时就更多了。”
我说：“回答正确。用距离来解释这个现象是我们最直观、最朴素的想法。但是你知不知道，还有另外一种更抽象的解释，在这个解释中，我们不需要距离这个概念。”
你说：“哦？什么解释，你说说看。”
我说：“你刚才自己也提到，运动是有方向的。你的运动速度我们可以分解为x轴方向的速度和y轴方向的速度的合成速度。假设你跑步的速度是v，白天跑步的时候，你在y轴方向的速度是vy=0，而在x轴方向的速度vx=v。但是到了晚上，你在y轴方向的速度大于零，在合成速度不变的情况下，你在x轴方向上的速度就必然小于v了。这就好像在y轴方向的速度分走了一部分你的跑步速度，你在x轴方向上运动的速度变慢了，所以你晚上的成绩不如白天。”
你若有所思地点点头说：“明白了，速度的方向看来很关键。当我朝着不同方向奔跑时，虽然总速度相同，但在特定方向上的分量速度却不同，这影响了我在那个方向上的表现。”
千万别小看这个看起来更抽象一点的解释，这是我们对运动本质认识上的一次大飞跃。我们认识到，任何一个物体在空间中的运动速度，都可以分解为在互相垂直的三个方向上运动的合成。
一个物体的运动速度v是由它在x、y、z三个轴方向上的速度的合成。如果总速度恒定的话，其中一个方向上的速度增大，另外两个方向上的合成速度就必然减小，就好像速度是被切成三块的蛋糕，你可以随便怎么切这三块，但是蛋糕的总大小不会改变。这x、y、z三个方向，物理学家用了一个听起来很“拉风”的词来描述，那就是“维度”。我前面所说的概念如果让物理学家来说的话，他们就会说：“物体在三维空间中的运动可以分解为在三个维度上的运动合成”。这种物理学描述方式听起来很拉风，但其实意思跟我们前面用方向来表述是一样的。
但这个认识还停留在经典物理学的范畴内。在经典物理学中，空间是三维的，时间是独立的一维，时间和空间是分开的。运动只在空间中发生，时间只是记录运动过程的参数。然而，爱因斯坦的相对论告诉我们，这种分离只是低速情况下的近似，当速度接近光速时，时间和空间必须被统一考虑。
下面又该爱因斯坦登场了。爱因斯坦向我们大声宣布了一个惊人的发现，他说：“这个宇宙中任何物体的运动速度都是光速c。对，没错，你我的速度是c，太阳、月亮、星星，还有光本身，我们的运动速度都是光速c。只不过这个速度不是在三维空间中的速度，而是在‘时空’中的速度。除了空间的三个维度以外，我们必须再增加一个维度，这个维度就是时间。多了个时间维度后，空间就不再是空间，时间也不再是时间，而是纠缠在一起成为时空。时间空间是一个整体，我们每个人都是生活在这样一个四维时空中，我们每个人在时空中运动的速度都恒定为c，永远不会快一丁点儿，也不会慢一丁点儿。”
这个发现实在是太让人震惊了。如果我们把爱因斯坦的这个发现画成一个简单的示意图的话，就会是下面这个样子：想象一个二维坐标系，横轴代表空间（为了简化，我们只考虑一维空间），纵轴代表时间。
任何物体在这个时空图中的运动轨迹都是一条线，这条线的斜率代表了物体在空间中的速度。斜率为零表示物体在空间中静止（只在时间中运动），斜率为无穷大表示物体以无限大速度运动（这实际上不可能），斜率为1（如果采用自然单位制，c=1）表示物体以光速运动。
现在关键来了：在时空中，物体的“速度”不是这条线的斜率，而是这条线本身的“长度”除以“时间”（这里的“长度”是四维时空中的“长度”，称为“原时”）。爱因斯坦发现，无论物体如何运动，它在四维时空中的“速度”（更准确地说，是四维速度的模）总是等于光速c。
这意味着什么？这意味着我们之前关于速度分解的认识需要被扩展到四维。在三维空间中，我们把速度分解为三个空间方向的分量；在四维时空中，我们需要把速度分解为三个空间方向和一个时间方向的分量。而且，这四个分量的平方和（采用适当的符号约定）总是等于光速c的平方。
用数学公式表示就是：c² = (空间速度分量)² + (时间速度分量)²（这里忽略了负号问题，实际上在闵可夫斯基时空中，四维速度的模方是-c²）。
你是不是已经在头脑中模模糊糊地建立起了时空概念了呢？一旦我们明白了时空的含义，就会发现，任何物体的运动速度不再是把蛋糕切成三块了，而必须切成四块，蛋糕的总大小永远恒定为c。
这是一个如此简洁、优美而深刻的发现，这是人类对宇宙认识的一次飞跃。每当我想起它，总是一次又一次地被深深震撼。用这个简洁而深刻的思想来解释狭义相对论中关于时间和速度的关系，就成了天经地义的事情：物体在空间中的运动速度会分走在时间中的运动速度，空间中运动得越快，在时间中就越慢。时间空间是一个密不可分的整体，任何物体都是在时空中做着相对运动，时间和空间是互相垂直的两个维度。运用这个思想，就可以用普通的速度合成公式极其简单地推导出相对论因子。
具体来说，如果我们把光速c看作是在时空中运动的总速度，那么当物体在空间中静止时，它的全部速度都在时间方向上，这时时间流逝得最快。当物体在空间中运动时，一部分速度被分配到空间方向上，时间方向上的速度就会减小，这意味着时间流逝变慢。这就是时间膨胀效应。
同样地，空间也会受到影响。当一个物体在空间中运动时，沿着运动方向的长度会缩短，这就是长度收缩效应。时间和空间不再是绝对的，而是相对的，它们依赖于观察者的运动状态。
这个思想还蕴含着这样一个显而易见的事实：物体在空间中的运动速度有一个极限，那就是光速c。我们不再需要用眼花缭乱的质能公式和牛顿第二运动定律去联合解释为什么光速是极限，这个时空运动的思想简洁而有力地告诉我们：假设物体的运动速度完全从时间这个维度中转移到空间中，那么物体在空间中的运动速度就达到了最大速度c。
换句话说，如果一个物体将其在时空中全部的速度都分配给了空间运动，那么它在空间中的速度就是光速c，而它在时间中的速度则为零。这意味着什么呢？
以光速在空间中运动的事物，在时间中就停止运动了。所以，光是不会变老的，从宇宙大爆炸中诞生出来的光子仍然是过去的样子，在光速运动中，没有一丁点儿时间的流逝，时间真的停止了。现代的相对论学家认为，光速c很可能是我们这个宇宙时空的一个几何性质，就像圆周率是π，它是一种数学性质，跟物理性质无关。光速c是连接空间和时间的比例常数，它决定了空间和时间如何相互转换。
这个解释不仅简洁，而且深刻。它告诉我们，光速极限不是某种外部强加的限制，而是时空内在结构的必然结果。就像在一个固定的预算下，你分配给A项目的资金越多，留给B项目的资金就越少，当所有资金都分配给A项目时，B项目就没有资金了。同样，在固定的时空速度c下，你分配给空间运动的速度越多，留给时间流逝的速度就越少，当所有速度都分配给空间运动时，时间流逝就停止了，这时空间速度达到了最大值c。
从此，我们不再分开谈论时间的流逝和空间中运动的速度，只要是运动，就是在时空中的运动。当你进行百米冲刺的时候，你我在时空中进行着相对运动，空间发生变化的同时，时间也一定会发生变化。看来，我们经常在科幻小说中看到的“时空穿梭”其实一点儿都不稀奇，你大可以理直气壮地宣布：我以百米冲刺的速度在时空中穿梭，我们每个人每时每刻都在时空中穿梭。
你也可以理直气壮地宣布：我离一秒钟前的自己距离30万千米。这真是一个遥远的距离啊，如果你和你的爱人错开了一秒钟，那么你要不停地步行九年半才能追上你的爱人。我们都是生活在低速世界中的生物，我们在空间的三个维度中能达到的速度和光速相比实在是小得可怜，这才会让我们产生时间和空间这两个完全不同的概念。
如果我们想象宇宙中有一种日常生活的速度都是接近光速运动的智慧生命，那么在那些智慧生命的概念中，将不再区分时间和空间，在它们的感觉当中，时间和空间只不过是不同的方向而已，他们看狭义相对论的各种效应都会像我们看太阳的东升西落和大自然的花开花落一样平常。在相对论学家的眼里，时空才是我们这个宇宙的本质。请你务必在头脑中牢牢地建立时空这个概念，牢牢地记住没有单纯的空间运动，这对于理解我们后面要讲的东西至关重要。
其实，我们在日常生活中早就已经有了四维时空的概念。不是吗？回忆一下你和朋友约会是怎么约的。“我们在老地方（人民广场喷水池旁）见”，只是这么一个空间坐标够吗？如果就这么一句话的话，你们俩多半还是见不了面，你还得再加一句“老时间（晚上七点）”，这样你们才能确保双方达成了一个准确的协议。也就是说，一个约会的事件在时空中的坐标必须包含四个维度的信息：空间的三个维度加上时间的一个维度。
在我们低速的地球世界中，似乎“老时间老地点”这句话已经能确保你和朋友见面了。因为在地球尺度上，时间同步问题不严重，我们默认使用的是同一套时间系统（时区转换也是相对简单的），空间距离也足够小，以至于信号传递的时间延迟可以忽略不计（对于日常约会来说，纳秒级的时间差异可以忽略）。
但是，如果我们到了银河联邦的莱因哈特时代（什么？你不知道银河联邦和莱因哈特是谁？那杨威利也不知道吗？拜托，《银河英雄传说》怎么能没看过？我不管了，凡是不看“银英传”的人，我不照顾了，默认当大家都看过的，本人是“银英”迷），在银河帝国时代，如果只是这么一句约会的口头禅很可能就要犯大错了，你和朋友多半永远也见不着面了。
因为没有设定统一的时空坐标参考系，那可真就是差一秒就差十万八千里还多了。在星际尺度上，光速有限性带来的时间延迟变得不可忽略，同时性也变得相对了。两个人对“现在”的理解可能完全不同，取决于他们的运动状态和所处的引力场。如果不建立一个统一的时空坐标系，不指定参考系，那么“晚上七点”对两个人来说可能意味着完全不同的时刻。
不过，在时空的四个维度中，时间这个维度有一点特殊性，那就是你只能在时间这个维度中朝一个方向运动，而空间的三个维度可以朝正反两个方向运动。在空间中，你可以向前走，也可以向后走；可以向左走，也可以向右走；可以向上走，也可以向下走。
但在时间中，你只能从过去走向未来，不能从未来走向过去（至少在我们目前的物理学理解中是这样）。这种不对称性是物理学中的一个深层问题，与热力学第二定律和宇宙的初始条件有关。
本文主要讲的是时间旅行、星际殖民和星际贸易这三件有趣的事情。但是请各位读者千万注意，我绝不是在创作科幻小说，我要从科学的角度去帮你分析和看待以上三件科幻小说中最常出现的元素，帮你提高以后欣赏科幻小说的能力，帮你找出科幻小说和幻想小说的区别。
让我们先从最让你感到激动的时间旅行开始说起吧。
现在这年头，穿越类的小说真多，俨然已经成为各大文学网站和影视剧的一个大类，各种各样的穿越手法真是五花八门，令人眼花缭乱，不过那种“月光宝盒”式的无厘头穿越不在我们今天讨论范围之列。偶尔你也会看到一些对穿越行为的“科学原理”的描述，其中最多的是说“根据相对论，只要速度能超过光速，我们就可以回到过去”。
各位，以后凡是看到这种利用超光速穿越的小说，可以立即定义为“科盲幻想小说”，简称“盲想小说”。这种“根据相对论，超光速就能穿越”的科学原理简直自相矛盾得一塌糊涂。相对论的一个最基本的原理，就是光速是任何运动的速度极限，是不可能被超过的，而一旦允许超光速运动，那么相对论本身就被推翻了，又何谈“根据相对论”呢？这是一个显而易见的自相矛盾，那么多的“盲想小说家”把这个奉为至宝——但凡穿越，必超光速，实在是让我异常惊讶。
那我们来了解一下，真正的物理学家研究的时间旅行到底是一些什么样的科学原理和依据吧。
时间旅行是广义相对论研究的课题，目前全世界确实有很多严谨的科学家在探讨这方面的可能性。根据广义相对论，引力会使时空弯曲，引力越强，则时空的弯曲程度越大。也就是说，根据广义相对论的这个原理，我们会发现时空不是平坦的，时空是有形状的。
我知道我这么说还是让你感到不太明白，那么我就来打一些粗糙的比喻来帮助你理解。我们首先把时空想象成一张纸，我们在时空中运动，就好似沿着纸面运动，但是请注意一点，如果这张“时空纸”延伸的方向表示时间这个维度的话，那么我们只能朝着一个方向运动，因为时间维是只能朝一个方向运动的，这是时间维的物理性状。
但是请千万注意一点，在爱因斯坦的时空观里，这张纸是不平坦的，有起伏，有褶皱，我们在“时空纸”上的运动就像在崎岖不平的山路上走路一样，是高高低低的。
现在假设我们在一个平坦的时空中，上午8:00出发，从时空的一头运动到另外一头，到达终点的时候，刚好是上午9:00（注意，前面我们已经说过，任何物体在时空中运动的速度都是光速，所以，在这个比喻中，你就不要再问我们的运动速度是多少这样的傻问题了）。
现在再假设我们经过的这段时空被某种力量弯曲了，那么我们达到终点的时候，会变成上午8:30；如果弯曲的更厉害一点，我们就会在8:10分到达终点。
现在重点来了。如果时空这张纸被弯曲成了一个莫比乌斯带的形状，头尾相连了起来，你就有可能在7:50达到终点。也就是说你沿着弯曲的时空走了一圈回来以后，发现到达的时间比你出发的时间竟然还早。这意味着你回到了过去。
因此，在广义相对论中，时间旅行的科学原理是通过一个时空的圈环回到过去，这个时空圈环在《时间简史》这本书中被霍金称为“类时闭合曲线”（有点拗口，我更喜欢我翻译的“时空圈环”）。爱因斯坦的狭义相对论是不允许时间旅行的，等到广义相对论刚刚诞生的时候，爱因斯坦也不认为时空能弯曲成一个圈环。直到1949年，他的好朋友——大数学家哥德尔在广义相对论方程中发现了一个解，这个解居然允许宇宙中这种时空圈环存在。爱因斯坦当时就震惊了，但随后他就意识到这个时空圈环正是自己和助手罗森一起发现的“虫洞”的某种特性。
所以，靠谱一点的时空穿梭原理一般都要借助虫洞来完成，以后看穿越小说记得先翻翻，有没有提到爱因斯坦—罗森桥或者虫洞什么的。
非常抱歉，前面出现了一个让你莫名其妙的名词——莫比乌斯带。不是我故意不解释，而是这个东西实在是太迷人了，我非得另起一段单独讲讲才觉得过瘾呢。
莫比乌斯带，也经常被叫作魔比斯环，或者梅比乌斯带、麦比乌斯带等等，都是翻译带来的麻烦，英文名称是Mobius Strip。这是诸多科幻小说、科幻电影经常出现的一个神奇事物，它往往象征着时空穿梭。以它的发现者莫比乌斯命名，到现在也快有两百年了。
看到没？上面这个就是莫比乌斯带，其实就是把一张纸条的一头拧半圈然后和另一头粘起来，形成一个圈圈。但是你千万千万不要小看这个圈圈，这个圈圈有着许许多多迷人的特性。如果你在这个圈圈上跑步，你就可以一直往前跑，不用翻越任何边界而跑过所有的面。如果你拿一只毛笔，沿着纸面只用一笔就可以把颜色涂满整个纸带。这个圈圈和我们平常认识的任何像手镯这样的圈圈不同，这个莫比乌斯带只有一个面，如果你沿着手镯表面的中线一刀剪下去，那么手镯就会一分为二成为两个各自独立的手镯。
但是神奇的是，如果你同样沿着莫比乌斯带的中线剪一圈，你会发现，这个莫比乌斯带不会一分为二，而是会成为一个更大的圈圈。然后你再沿着这个圈圈的中线剪开，你会神奇地发现，这次剪出了互相嵌套在一起的两个圈圈。然后把两个圈圈再各自沿着中线剪开，又会变成互相嵌套的四个圈圈。
这么剪下去永无止境，最后圈圈套圈圈复杂得可以把你搞疯掉。你是不是很有冲动去试试看了？别忙，还有更有意思的特性。
首先来跟我认识一下所谓自然界中的“左右手系”对称。想一下左右两只手套，这两只手套你怎么看它都像是对称的，但问题是，如果你不把手套在空间中翻一个面的话，你永远也无法把两只左右手套完全重合地上下叠在一起，就好像你怎么也不能把左手套在不翻过一面的情况下戴进自己的右手中。不过，如果你让一只左手套沿着莫比乌斯带转刚好一圈（不是两圈），这只手套就会翻过一面成为一只右手套，但是请千万记住它的神奇之处就在于：如果手套有感觉的话，它根本不会发现自己其实被翻过了一个面，在它的感觉中，它只是沿着一个面不停地运动，不知怎么的就从左手系变成了右手系，再运动一圈又变回了左手系。真是要命的感觉。
伽莫夫写的著名的科普经典《从1到无穷大》中就说，如果类似莫比乌斯带这样的事情也能发生在三维空间中，我们的鞋子制造商就会大为欣喜，他们只要生产左脚的鞋子，然后通过莫比乌斯空间传送带转一圈回来，就成了右脚的鞋子，真是爽死了。而一个人如果上了这个莫比乌斯空间传送带，转一圈回来则发现自己的心脏跑到右边去了，这就不爽了。
但问题是，我们很容易想象两维的纸片做成的莫比乌斯带，那到底有没有三维的物体形成像莫比乌斯带这样神奇的左右手系互转的形状呢？答案是有的。1882年德国数学家克莱因（Klein,1849-1926）找到了一种以他的名字命名的模型，叫作“克莱因瓶”。
瞧瞧，就是这种极其怪异的瓶子（但这仅仅是克莱因瓶的近似样子，真正的克莱因瓶是没法直接做出来的，因为真正的克莱因瓶是不会互相穿过的，这需要一点空间扭曲的想象力）。你盯着它看3分钟，想象你在这个瓶子的表面跑步的情景，我保证你会越看越神奇，越看越觉得不可思议，直到逻辑彻底混乱为止。你想象一下，如果时空扭曲成这种神奇的形状，那么你就完全有可能坐着宇宙飞船从21世纪出发，到19世纪返回；穿越了一个世纪的时间，如果继续往前又会返回21世纪。
太神奇了，物理学家居然真的给他们搞出了一套回到过去的理论。但是很快，人们就发现，如果允许回到过去的话，会产生一些逻辑上的悖论，或者说一些怪圈。比如最著名的“祖母悖论”，你可能早已耳熟能详了，就是你如果回到过去杀死了你的祖母，那么你祖母既然死了，你又怎么能存在？你不存在了又怎么能回去杀死你的祖母呢？我总觉得这个故事写得拗口不已，完全没必要这么复杂的嘛，简单说来就是如果你回到过去杀死以前的自己的话，又怎么能有后面的你回到过去自杀呢。
总之，这样的祖母悖论型的逻辑悖论我们随便就能想出很多很多。有一个最变态的悖论说的是，你在未来给自己做了变性手术，然后回去找到自己，和原来的自己生下了自己。我真服了想出这个逻辑悖论的“淫”（人）。
这些悖论又如何解决呢？物理学家们研究广义相对论，确实用严谨的数学方法论证出了时空圈环的可能性，但是祖母悖论又显然在挑战我们的常识，没有人能接受祖母（祖父）悖论会真的发生。
现代的物理学家们为此争论不休，想出了各种各样的解决方案来避免逻辑悖论的发生，有代表性的解决方案有这么几种：
第一种，叫作自由意志丧失说。物理学家说所有该发生的历史都已经发生了，你不可能改变这个历史，所以一旦你回到过去，你就会丧失自由意志，你完全被历史所控制，你无法改变任何历史的一丁点。你回到过去杀死祖母的尝试注定会失败，可能是因为枪卡壳，可能是因为你突然手软，可能是因为各种巧合。总之，历史会自我修正，确保不发生矛盾。
第二种，叫做时空交错说。物理学家说你是可以回到过去，但是你回到的那个时空和真实的历史时空是平行纠缠在一起的，但永远不可能相交，你可以看见历史，但不能影响历史。这个我听懂了，不就是说“只能看，不能摸”嘛。你就像一个幽灵，可以观察过去，但不能与过去互动。
第三种，叫做多历史说。这个理论首先是由一个叫费曼（Feynman，1918—1988）的美国物理学家提出来的，他说历史不止有一个，你可以回去杀死你的祖母，你也可以回去干任何事情，甚至杀死罗斯福让希特勒取得胜利，什么都可以干。但是请记住，你影响的那个历史和我们这个世界的历史不是同一个。
换句话说，当你干下了任何改变历史的事情时，世界就分裂成了两个世界，在我这个世界中希特勒倒台了，在你那个世界中希特勒最后成了全世界的偶像。说老实话，这个理论真够疯狂的，为了让时间旅行合理，动不动就克隆出无数个世界出来。但恰恰是最后这个看起来最疯狂的理论，却得到了最多物理学家的支持，包括像霍金这样的大科学家也支持该理论（霍金《大设计》）。这就是现在大热的“平行宇宙”说。
难道物理学家都疯了吗？这世界有这么疯狂吗，怎么会去相信听起来如此不靠谱的一个理论呢？这是有原因的。因为在过去几十年中，随着物理学家们对量子物理的深入研究——所谓的量子物理，就是研究比针尖还小几万万万（至少还得打好几个万）亿倍的基本粒子的行为的物理学。物理学家们越来越发现，这个世界真是不可思议，很多微观世界的现象只能用一些听起来很唯心的、很过分的、很疯狂的理论去解释，否则如果按常理的话怎么也说不通，包括这个多历史的现象似乎在微观世界中每时每刻都在发生着。
量子力学中的“多世界诠释”认为，每当一个量子系统面临选择时，宇宙就会分裂成多个版本，每个版本对应一个可能的结果。虽然这个诠释听起来很疯狂，但它能干净利落地解决量子力学中的测量问题，而且没有任何违背已知物理定律的地方。如果量子力学层面的多世界是真实的，那么在宏观层面也可能存在类似的现象，这就为时间旅行中的平行宇宙解释提供了理论基础。
你可能也看出来了，真要想时间旅行，以我们人类现在的技术是不可能达到的。要扭曲时空就必须要有巨大的引力，产生引力就要有巨大的质量，而质量和能量又是可以互相转换的，所以归根到底要有巨大的能量。
日裔美籍著名的物理学家和科普作家加来道雄在他的《不可能的物理学》中曾经做了一个简单的计算，说：“如果我们能把太阳一天放出的能量全部采集下来的话，可以打开一个只有几纳米大小的虫洞，这个虫洞最多只能允许把你分解成无数的原子通过后，再在另外一头组装起来。”这个能量大约是多大呢？太阳24小时放出的能量大约是10^28千瓦时，2015年全球消耗的能量大约是10^14千瓦时，两者相差了10^14倍，也就是100万亿倍，换句话说，太阳一天放出的能量就够地球使用100万亿年，呜呼，看来真是难啊。
但问题还不止于此。根据广义相对论，要维持一个虫洞开放，防止它迅速坍塌，还需要一种具有负能量的奇异物质。
这种物质的压强是负的，会产生反引力效应，对抗虫洞自身的引力坍塌。虽然量子力学允许在微观尺度上存在负能量密度（卡西米尔效应），但要达到宏观尺度并足以维持一个可穿越虫洞，目前看来几乎不可能。
但你可能也会跟我一样想到这样一个问题：我们现在是没有能力制造时间机器，但是未来人呢？如果在遥远遥远的未来有人造出了时间机器，那么那个人就有可能乘坐时间机器，回到我们或者我们以前的时代。但是为什么我们从来没有见到过这样的未来人呢？历史上也从未记载有未来人光临。假设未来无限远的话，假设时间机器确实可以造出来的话，那么概率再小也应该有未来人回来了啊。
有这个想法的人还真不少呢。2005年，为了庆祝国际物理年，同时也是为了庆祝相对论诞生100周年，美国麻省理工学院举办了一场“时间旅行者大会”，举办方郑重地在报纸上刊登广告，邀请未来的时间旅行者光临会场，并且携带未来的物品作为证据。大会开了一天，确实来了很多“旅行者”，可惜没有一个能让人相信是“时间旅行者”。这些旅行者都辩称时间旅行只能光着屁股旅行，就像施瓦辛格扮演的终结者那样，所以没有信物。各位亲爱的读者，这件事，你们相信还是不相信呢？
这个“未来人悖论”有两种可能的解释：一是时间旅行根本不可能，无论技术多么先进；二是时间旅行可能，但有某种机制防止时间旅行者干扰历史，或者时间旅行只能前往时间机器发明之后的时代，不能前往更早的时代。
好了，关于时间旅行的话题我们就聊到这里。这个话题其实蛮有趣的，我建议你把我前面说的那些好好地看上三五遍，然后记下来，和朋友喝茶吃饭聊天的时候用自己的语言复述一遍，保证能让你大放异彩。本人就是经常这样放放异彩的，结局往往是话讲完了，菜也被别人吃完了。
讲完了时间旅行，我们该来说说同星际殖民有关的话题了。在《银河英雄传说》中，自由行星同盟的国父海尼森远征两万光年，去寻找适合人类居住的外星球。那么真正的星际旅行可能吗？会遇到什么样的事情？如果我们真的能在几十甚至几百光年（几万光年我是不敢想的）的范围内建立第二个、第三个地球，我们这些星际殖民者的日常生活和时空观念在相对论的理论下又该是一个怎样的情景呢？
这类题材的科幻小说也不少，包括著名的《银河英雄传说》，但是小说中的很多事情都是不可能真实发生的，真实的世界可能会令人非常沮丧。让我们先从一堂令人沮丧的算术课开始这个话题吧。
如果我们要到太阳系以外的地方去殖民，首先我们至少要飞往一个恒星系，只有在恒星的附近才有可能出现适宜人类居住的星球，恒星就是那颗星球的太阳，给它温暖和能量，如果没有恒星，那么在黑漆漆的宇宙中我们肯定是会被冻死的。让我们仰观苍穹，看看满天的星星离地球有多远吧。
天文学家早就发现，离地球最近的一颗恒星叫作比邻星（半人马座α星C），距离我们的时空距离是4.3光年。所谓光年就是光跑一年走过的距离。光年这个单位，在你小的时候，看到后可能会认为是一个时间单位，长大后懂的多一点了，才知道是个距离单位。现在当你有了时空的概念以后，会发现光年这个单位其实是时空单位。在宇宙空间中，因为时空的不平坦性，其实你是没法用千米去定义距离的，在宇宙中只能用光年来定义时空距离，你可以把它看成是距离单位，你把它看成是时间单位也问题不大，时间空间已经成为一个整体，不分你我。
总之，即使是离我们最近的恒星听上去也是离我们非常遥远的，光都要走4.3年嘛。
同学们，现在我们来做一些简单的数学计算，看看这颗比邻星离我们到底有多远。以人类目前掌握的技术而言，最快最快的宇宙飞船能飞得多快呢？即使是按照最乐观的估计，大概也只能达到光速的万分之一。来，算算看，它飞到比邻星得多少年？没错，是4.3万年。有没有搞错？！你惊呼一声，我以为人类的宇宙飞船已经够快了，没想到那么慢啊。
抱歉，我这还是给足了人类面子了，阿波罗登月飞船飞到月球差不多用了四天时间，我已经让人类最快的宇宙飞船飞到月球的时间减少到三小时了。而且，我这还是忽略了加速和减速的时间（这大概还要耗掉两百年呢）。看来，以人类目前的技术实力，飞往比邻星是没戏了，4.3万年，不用说人类的寿命问题，就算你能在飞船上生儿育女一代代地延续，也没有任何机器设备能工作那么久的时间，金属也会疲劳。
看来必须要提升飞船的速度。那么你们觉得至少要达到什么速度才有可能进行星际殖民呢？掐指一算，可能得出的结果是最低速度怎么着也得达到光速的十分之一，也就是0.1c吧，这样我们飞到最近的比邻星就只需要43年了。我们且不谈把速度从光速的万分之一提到光速的十分之一技术难度有多高，因为今天只是一堂算术课。
听起来貌似靠谱，从地球出发，算上加速减速的时间，飞50年到达目的地，到了以后发个电报回来告知情况，地球用四年多时间收到电报。这样的话，如果我有幸30岁的时候能到NASA（美国国家航空航天局）参与这个伟大的比邻星探索计划，那么当我84岁的时候就有望听到从比邻星那边传回来的消息。总算马马虎虎还能接受，在我有生之年还是有希望知道实验结果的。
但是，同学们啊，千万别忘了，我们说的只是离地球最近的比邻星，我们的目的可是要寻找适合人类居住的星球，并不只为了到别的恒星系中看看风景。遗憾的是，比邻星系很可能找不到任何行星，去了也是白去。
按照现在天文学家的估计，我们距离最近的宜居行星，大概至少有50光年的距离。这也就意味着，我们即便达到了0.1c的速度，飞过去至少也要花500年的时间。并且随着最大速度的增加，加速减速需要消耗的时间也会迅速上升，要达到0.1c的速度，加速减速所需要的时间可能要占到总飞行时间的一半。显然，人类不可能到来回飞一趟要1000年的地方去拓展殖民地的，就好像你不能指望原始人靠游泳从欧洲去美洲新大陆拓展殖民地一样。这个速度还是不够快，还得提升。那你觉得，以50光年考量的话，我们的速度至少要达到多少，才有可能进行星际殖民呢？
你心里想着可能需要反算一下，也就是我们先设定多少年能飞到的心理预期，然后再反推要达到的速度。经过一番挣扎，你可能会想，好吧，不管怎样，让我在到达目的地后，能让我的亲人在有生之年知道我活着到达就可以了。但是我将非常遗憾地告诉你，不管我们怎么努力，哪怕我们的星际飞行速度能无限接近光速，你的这个朴素的愿望还是无法实现，你的亲人也不可能在有生之年得到你的消息。理由很简单，假设50光年外的那颗星球叫作“奥丁”（《银河英雄传说》中银河帝国的首都星），你首先至少要用50年的时间飞到奥丁，到达以后你往回发一个电报，这个电报也需要50年的时间到达地球，你在地球上的亲人从你出发那天起最少最少也要等100年才能等到你这个报平安的电报。
这确实是一堂令人沮丧的算术课。看来，要想星际移民，你出发的那天就是和你所有亲人永别的一天；对你的亲人来说，你不但是一去不复返，而且这一去就是杳无音信，他们等待一生也得不到你平安抵达的消息。
但是，如果我们的飞船速度能在很短的时间内加速到无限接近光速（虽然这在今天在技术上还是无法想象的，甚至连理论上的可能都没有），对于星际旅行者的你来说，情况却要乐观得多，50光年的距离对你来说就像是在地球上做了一次长途旅行而已。根据时空中运动速度恒定的原理，你在空间中的运动速度会分走你在时间中运动的速度，换句话说，你飞得越快，你的时间流逝得越慢。假设你以0.9999c的速度飞向50光年外的奥丁星的话，你自己感觉仅仅用81天就抵达了，而你在地球上的亲人则已经老了50岁，我们用下面的时空运动图来表现这个概念：
在这张图中，大家都以奥丁星为参照物，地球上的人在时间中运动得很快（接近光速），但是在空间中运动得很慢；而星际飞船上的你则恰恰相反，你在时间中运动得很慢，但是在空间中运动得飞快（接近光速）。所以，以你自己的感觉，你没有用多少时间就从地球飞过来了，但与此同时，地球上的时间却在飞速流逝。
这就是著名的“双生子佯谬”：一对双胞胎，一个留在地球上，一个乘坐接近光速的飞船进行星际旅行。当旅行者返回地球时，他会发现留在地球上的兄弟比自己老得多。虽然这听起来像是一个佯谬（如果运动是相对的，那么从旅行者的角度看，地球上的兄弟也在高速运动，为什么不是地球上的兄弟更年轻呢？），但实际上这并不是真正的佯谬。因为旅行者经历了加速和减速过程，而留在地球上的人始终处于惯性系中，两者的处境并不对称。通过详细计算可以证明，旅行者的确会比留在地球上的兄弟年轻。
沿着上面这个思路，我们可以得出一个推论：如果地球和奥丁的时空距离是50光年的话，那么就意味着它们的时间距离至少为50年，也就是说，这两颗星球的人想要发生任何相互接触，不管是通讯还是旅行，总之，这个50年是不可逾越的。我们现在假设你供职于地球上的一家公司，公司派你去奥丁的分公司出差，你坐上星际飞船到达奥丁，办了几天公事再回到地球的时候，尽管你自己觉得只用了几个月甚至更短的时间，但是地球已经过去了一百多年，你的老板早就过世了，你供职的这家公司是否还存在也很难说了。因此，在星际殖民时代，恐怕不会发生派人去别的星球出差办点事再回来这种事情，虽然这样的情节在星际殖民题材的科幻小说中比比皆是（比如电影《阿凡达》）。
那么我们再来看看在星际殖民时代的约会又会有哪些特点呢？你和你的朋友都在地球上，有一天你们心血来潮相约要到奥丁去见面，比如说你们约定在一年后的今天见面，然后分手各自准备行程去了。我提醒你们注意，你们千万不要以自己的手表为准，哪怕你们分手的时候对表对得再精确也没用。你们必须非常精确地算准你们的时空坐标，特别要注意时空运动速度恒定这条铁律，各自小心翼翼地算好自己的空间运动速度会如何影响时间运动速度，否则将要发生的可就完全不是一个人早到一会儿等着另外一个人飞过来，而是很可能发生这种情形：先到的一个人苦苦等待一生之后，老得牙齿都快掉光了才终于见到了活蹦乱跳的另外一个人。
在星际旅行时代，两个人的年龄再也无法处于一种稳定的状态了。拿《银河英雄传说》里面的故事来说，情节会变成这样：米达麦亚和罗严塔尔奉命去星际空间打击海盗，这两人指挥着各自的战舰出发了。由于战事激烈，他们在广袤的太空中作战，经常要变换自己飞船的速度，而且偶尔能刚好在太空中会合一下，互相见见面。于是在这些日子里，他们会对每次见面相隔的时间产生完全截然不同的意见，米达麦亚觉得隔了好几个月才遇上罗严塔尔，而罗严塔尔却说我们昨天才刚刚见过面呀。下一次见面的时候，米达麦亚觉得也就过了不到一个礼拜，但是罗严塔尔却坚持声称至少已过去了三个月。这哥俩每见一次面就争吵一次。他们都得特别小心地控制自己飞船速度，万一速度太快了，等他们回到奥丁的时候，他们的司令官莱因哈特就已经过世很多年了。
因此，在星际殖民时代，必须建立宇宙历、宇宙标准时和统一的时空坐标参照系。好在咱们的银河系有一个好处，那就是所有的恒星基本处在相对静止的状态。我们地球和奥丁星之间的相对运动速度应该是很小的，并且我们不妨假设人在奥丁星和在地球上所受到的引力大小基本相当。这个应当好理解，人类不会习惯在一个能使自己体重突然增加好几倍或者轻好几倍的地方长期生活，总还是要在一个能基本适应的范围内，而这个引力大小对于时空弯曲程度来说是可以忽略不计的。
所以，如果真到了那个在奥丁星殖民的时代，地奥联邦政府可能会同意我的建议，把地球和奥丁星看成是一个大的参考系，这个参考系跨越了50光年的时空，在这个50光年的范围内建立时空坐标。以新的宇宙历法规则通过的那天零时为银河纪年元年，仍以一个地球日和一个地球年作为标准宇宙历法的标准日和标准年，在银河纪元元年的零时零分启动一只精心调快过的原子钟，然后把这只原子钟放上星际飞船，以接近光速的速度带到奥丁星，到达以后再把原子钟的频率调成跟在地球上一样。
于是我们会看到，在奥丁星上的宇宙历生效的那个时刻，原子钟显示的可能已经是：银河纪年50年2月21日9时13分10秒。因此，奥丁星上的宇宙标准历和标准时的时间是直接从50年后开始的，而不是像地球一样从元年开始，当然，奥丁星上的人必然还要根据自己星球的自转和公转日期（奥丁星不一定有卫星，所以可能没有月份的概念）制定自己的地方时，以便生活。
所以，奥丁星上的手表一般都必须显示两个时间，一个是标准宇宙历的时间，一个是奥丁历的时间。这些手表还得有一个特殊功能，那就是登上星际飞船后，可以根据星际飞船的飞行速度调节手表的频率，飞得越快，表的频率就得跟着调得越高。
假想一下你在星际飞船上看着时间飞快地跳动，一年一年就在你眼前像走马灯一样流逝，你会产生一种什么样的感觉呢？最要命的是，这些走马灯般流逝的时间并不是幻觉，而是实实在在地发生在地球和奥丁星上的时间流逝。地奥联邦政府还有一条不得不颁布的法令，那就是所有的星际飞船上的时间频率调快的行为都必须全部详细记录在案，调快频率后流逝的时间不能算作年龄的增长。如果不颁布这条法令，那么这个世界的伦理就要彻底混乱了，人们再也搞不清楚谁比谁年龄大了。
以上这些就是最粗略的星际殖民时代的时间观念。对于那些要登上星际飞船的人来说，他们必须要做好十足的心理准备，因为登上飞船的那个时刻就是他们真正告别过去、奔向未来的时刻。星际飞船是一艘真正的时间机器，只不过这部时间机器只能把人带向未来而无法返回过去。一旦登上了星际飞船，那么过去的一切就将过去，对于过去的一切亲朋好友来说，你死了，而对你自己来说，亲朋好友们死了，因为你们此生再也不可能相见了。当亲朋好友们向你挥手道别，看着你登上星际飞船的景象，那就跟看着你走入棺材是一模一样的心情。
各位亲爱的读者，我很想知道，此时此刻的你对于星际殖民时代是感到兴奋呢，还是沮丧呢？过去曾经看到过的很多此类题材的科幻小说和科幻电影，是不是都有一点点变味了呢？
这种时间膨胀效应对星际殖民社会的结构会产生深远影响。首先，星际殖民很可能不再是个人行为，而是整个社区、甚至整个文明的迁移。一艘星际飞船可能需要搭载数千甚至数万人，形成一个自给自足的封闭生态系统。这些殖民者必须接受他们与母星文明永久分离的现实，他们的后代将在一个完全不同的时间框架下生活。
其次，星际贸易的模式也会发生根本改变。由于时间延迟效应，实时贸易变得不可能。一艘贸易飞船从地球出发，到达奥丁星可能需要几十年（地球时间），而在奥丁星卸货、装货、再返回地球，又是一个几十年。等飞船回到地球时，可能已经过去了一个世纪。这意味着星际贸易不再是简单的商品交换，而更像是一种时间胶囊——将地球的文化、技术“封存”起来，送到未来的奥丁星，同时将奥丁星的资源和文化“封存”送回未来的地球。
第三，星际政治也会变得异常复杂。一个跨越光年的帝国如何维持统一？信息传递的延迟意味着中央政府的指令需要几十年才能到达边疆，而边疆的报告也需要同样长的时间才能返回。这必然导致地方的高度自治，甚至可能最终导致文明的分裂。每个殖民星球都可能发展出自己独特的文化、语言甚至生物学特征（由于遗传漂变和不同的选择压力）。
尽管相对论明确规定了光速不可超越，但科学家们仍在探索各种可能绕过这一限制的方法。这些方法大多数仍然停留在理论阶段，但为我们提供了思考星际旅行可能性的新视角。
虫洞：如前所述，虫洞是连接时空不同区域的隧道。如果能够制造或发现一个稳定的虫洞，就可以在瞬间跨越巨大的空间距离。然而，维持虫洞开放需要负能量物质，这种物质是否真的存在还是个未知数。
曲速驱动：这个概念最早由墨西哥物理学家米格尔·阿尔库别雷于1994年提出。其基本思想不是让飞船在空间中运动，而是让空间本身运动。飞船位于一个“曲速泡”中，前面的空间被压缩，后面的空间被扩张，这样飞船就可以在不违反相对论的情况下“超光速”移动。然而，实现这一技术需要大量负能量，目前还只是理论上的可能性。
量子纠缠：量子纠缠允许两个粒子无论相距多远都能瞬间影响对方的状态。一些科学家提出，这可能被用于超光速通讯。然而，量子纠缠不能传递经典信息，因此不能用于超光速旅行或实时通讯。
高维空间：一些理论认为，我们的宇宙可能有更多的维度，而我们感知到的只是其中的四个（三维空间加一维时间）。如果能够在更高维度中旅行，就可能绕过三维空间中的光速限制。但这纯粹是理论推测，没有任何实验证据。
当我们思考光速极限、时间旅行和星际殖民这些问题时，我们实际上是在思考人类在宇宙中的位置和未来。
光速极限不是一个随意的限制，而是时空本身的基本属性。它告诉我们，宇宙有一个基本的节奏，一个不可逾越的速度。这个限制既是一种约束，也是一种保护——它确保了因果关系的完整性，防止了时间旅行带来的逻辑悖论。
时空的统一性则揭示了宇宙的深层结构。时间和空间不是独立的背景，而是相互交织的舞台。我们在这个舞台上表演，我们的每一个动作都同时涉及空间的变化和时间流逝。
星际殖民的可能性向我们展示了人类的潜力和局限。一方面，我们可能永远被限制在太阳系内，最多扩展到最近的几个恒星。另一方面，如果我们能够克服技术和心理上的障碍，我们可能成为一个真正的星际物种，将生命的火花传播到宇宙的其他角落。
时间旅行的问题则让我们思考自由意志和决定论的关系。如果我们真的能够回到过去，我们是否真的能够改变历史？还是我们的一切行为都已经被预先决定？
这些问题没有简单的答案。但它们值得我们思考，因为它们触及了存在的本质。当我们仰望星空时，我们不仅看到了光点，我们看到的是可能性、挑战和奥秘。
在结束这篇长文之前，我想引用卡尔·萨根在《暗淡蓝点》中的一段话：
“再看看那个光点，它就在这里。这是家园，这是我们。你所爱的每一个人，你认识的每一个人，你听说过的每一个人，曾经有过的每一个人，都在它上面度过他们的一生。我们的欢乐与痛苦聚集在一起，数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说，每一个猎人与粮秣征收员，每一个英雄与懦夫，每一个文明的缔造者与毁灭者，每一个国王与农夫，每一对年轻情侣，每一个母亲和父亲，满怀希望的孩子、发明家和探险家，每一个德高望重的教师，每一个腐败的政客，每一个‘超级明星’，每一个‘最高领袖’，人类历史上的每一个圣人与罪犯，都住在这里——一粒悬浮在阳光中的微尘。”
在宇宙的尺度上，地球确实只是一个“暗淡蓝点”。但正是从这个微小的点上，我们开始了对宇宙的探索。我们可能永远无法超越光速，我们可能永远无法进行时间旅行，我们可能永远只能殖民有限的几个星球。但正是这种探索本身，这种对知识的渴望，这种对未知的好奇，定义了人类这一物种。
光速可能是一个限制，但它也是一个邀请——邀请我们以更深刻的方式理解宇宙，理解时间，理解空间，最终理解我们自己。当我们理解了时空的本质，理解了光速极限的原因，我们也就理解了我们在宇宙中的位置：我们是宇宙的一部分，是时空的产物，是光速限制下的生命形式。但正是这种限制，赋予了我们存在的意义，赋予了我们探索的价值。
在无限的宇宙中，我们是有限的；在永恒的时间中，我们是短暂的。但正是这种有限和短暂，使我们珍惜每一刻，使我们努力探索，使我们不断超越。光速不能被超越，但人类的精神可以超越许多界限。这，或许就是我们在宇宙中最独特的位置。
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