如果你可以回到过去杀死你的祖父,事情将会怎样?

撰文 李•比灵斯(Lee Billings)
翻译 易小又
审校 黄安娜

如果你可以回到过去杀死你的祖父,事情将会怎样?光子模型揭示量子力学(quantum mechanics)可以破解“祖父悖论”这一窘境,甚至破解量子密码学(quantum cryptography)。

2009 年 6 月 28 日,世界著名物理学家史蒂芬•霍金(Stephen Hawking)在剑桥大学举办了一场宴会,宴会上有气球、饭前点心和冰镇香槟。每个人都收到了邀请,但却无一人出席。情况和霍金预料的差不多,因为他是在宴会结束后才发出的邀请。他说,这是“为未来的时间旅行者举办的一次欢迎会,”是为了证明他 2009 年的一个推测——人类实际上不可能回到过去——而进行的一次玩笑实验。

但霍金可能错了。近期研究至少从数学角度为时间旅行的可行性提供了初步证据。该研究触及到了我们对宇宙认识的核心。时间旅行绝不仅仅是科幻小说的一个主题,解决这个问题将对基础物理学(fundamental physics)和一系列如量子密码学、计算机技术等实际应用产生深刻影响。

封闭类时曲线(Closed Timelike Curves)

时间旅行这一推测来源于一个事实,即即便是最无懈可击的物理理论也没有说我们不可能回到过去。根据爱因斯坦的广义相对论(general relativity),回到过去的可能性是存在的。在广义相对论中,引力被描述为由能量和物质导致的时空弯曲。非常强大的引力场(gravitational field),如旋转黑洞产生的引力场,理论上可以彻底改变世间万物的构造,使时空自动反弹回去。如此便产生了“封闭类时曲线”,简称 CTC,即人们可以穿越回过去的一个封闭圈。

霍金和其他物理学家并不认可封闭类时曲线,原因在于,如果任何肉眼可见的物体可以穿越 CTC,势必会造成因果关系破裂的悖论。然而,物理学家戴维• 多伊奇(David Deutsch)于 1991 年提出的一个模型认为,在量子尺度上我们可以因为基本粒子的行为避免 CTCs 造成的悖论,这些悖论遵循的只是模糊概率规则,并不是严谨的决定论。昆士兰大学(University of Queensland)的物理学家提姆•拉尔夫(Tim Ralph)说,“有趣的是,人们用广义相对论预测 CTC 导致的悖论,但一旦从量子力学的角度考虑时,这些悖论就消失不见了”。他还说,“这会让人疑惑,构建一种可以统一广义相对论和量子力学的理论究竟重要与否”。

曲线试验

最近,拉尔夫和他的博士生马丁•瑞巴尔(Martin Rinbauer)带领的团队第一次模拟了多伊奇的 CTCs 模型,测试并验证这个历经 20 年的旧理论的诸多方面。其发现结果发布在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上(《科学美国人》是自然出版集团的一部分)。他们的多数实验是以研究多伊奇模型如何解决“祖父悖论”为中心。所谓“祖父悖论”,即某人通过 CTC 回到过去杀死自己的祖父,从而阻止自己的出生。多伊奇破解“祖父悖论”的量子解决方案如下:

试想,如果不让人类穿越时空回到过去杀死自己的祖先,而是让一个基本粒子回到过去打开粒子发射机器的开关。如果该粒子成功按下开关,机器会发射出一个粒子,而这个粒子就会回到 CTCs;反之,机器便什么也不发射。在这一设想方案中,没有人能够事先知道该机器是否一定能发射出粒子,只知道其发射概率。多伊奇的理解在于假设量子范畴内的自治性,并坚持认为任何进入 CTC 一端的粒子必然会出现在 CTC 的另一端,而且性质不变。因此粒子发射机器能够发射粒子的几率是 50%,而该粒子进入 CTC,再从 CTC 另一端出来,打开粒子发射器开关的几率也是 50%。如果换做是人,那么她能否杀死自己祖父的几率各占一半,假设他祖父有可能从她手里逃脱——那么时间曲线就极有可能闭合,这样,我们就可以从概率角度上逃脱悖论。虽然这一解决方案听起来很奇怪,但它符合目前我们已知的量子力学。

在拉尔夫、瑞巴尔和同事进行的新型模拟实验中,他们利用量子体系中偏振光子对(pairs ofpolarized photon)的相互作用研究多伊奇的模型。他们认为这一体系可以精确地等同于穿越 CTC 的单光子(single photon)。瑞巴尔说,“我们对光子的偏振作用进行了编码,如此一来,从某种程度上我们就可以把第二个光子看做是第一个光子过去的化身。”所以我们不用把人类送入时间封闭圈,只需要将某个人的替身送入模拟的时间曲线中,再检测出现在 CTC 中的替身是否和过去的真人完全一样。

在第一个光子与第二个光子进行电子相互作用后,通过多重实验测量第二个光子的偏振状态,拉尔夫团队成功演示了多伊奇自我一致性的可行性。“位于 CTC 模拟出口的光子状态和我们放入 CTC 入口的光子状态是一样的。”拉尔夫说。“当然,我们并没有把什么东西真正送回到过去,但模拟时间旅行可以让我们研究在量子力学中不可行的怪异进化论。”

瑞巴尔说,CTC 可以让“怪异的进化论”成为可能,而且这些进化论具有巨大的实际用途,比如通过克隆基本粒子的量子态,破解量子密码。他还说,“如果可以克隆量子态,就可以打破海森堡测不准原理(Heisenberg uncertainty principle),”这在量子密码学中迟早会派上用场,因为这一原理不允许同时对成对变量进行精确测量,比如位置和动量(momentum)“但是,如果你可以克隆量子体系,你就可以分别测量第一个体系中的一个量和第二个体系中的另一个量,从而破解加密信息。”

南加利福尼亚大学(University of Southern California)的物理学家托德•布朗(Todd Brun)说道,“正是由于 CTC 的存在,量子力学可以使人们从事非常复杂的信息处理工作,这些工作比我们认为的传统甚至是普通的量子计算机所能做的工作还要复杂得多。”不过,他没有参与拉尔夫团队的实验。他还说,“如果多伊奇的模型是正确的,那么这一实验就如实模拟了在真正的 CTC 条件下发生的事情。但实验本身并不能证明多伊奇模型,唯一的检测标准就是进入真正的封闭类时曲线”。

其它理论

不过,多伊奇模型并不是破解“祖父悖论”的唯一办法。麻省理工学院的理论家赛斯•劳埃德(Seth Lloyd)于 2009 年提出了另外一种模型。该模型不及 CTC 全面,运用的是量子隐形传态(quantum teleportation)和一种称之为事后选择(post-selection)的技术,而不是多伊奇量子范畴内的自我一致性。2011 年,劳埃德和其加拿大合作者模拟实验成功。“多伊奇的理论有一种破坏关联性的奇怪影响,”劳埃德说道。“换言之,即一个出现在多伊奇式 CTC 的时间旅行者进入一个宇宙,而这个宇宙和她之前所在的那个宇宙却毫不相关。相比之下,后选择式 CTC 没有破坏关联性,因此时间旅行者可以回到与她过去记忆中完全相同的那个宇宙”。

虽然 CTC 在特有的时空领域中远比计算机的信息处理功能强大,但劳埃德这一模型的属性减弱了 CTC 对信息处理的影响力。劳埃德说,“CTCs 帮助我们解决问题的可能性如同大海捞针,但在多伊奇式 CTC 中,一台计算机能够首先解决大海为什么会存在的问题”。

尽管如此,劳埃德却欣然承认 CTC 还仅仅是一种推测。他说,“我不知道哪个模型真正有效。或许以上两个模型都是错的。”他还补充到,另一种可能性自然就是霍金的说法是正确的,“CTC 根本就不存在。”为时间旅行者举行欢迎会的筹划者应该把香槟留给他们自己——他们满怀期待迎接的来自未来的客人似乎不可能来了。

来源:http://youzhihu.com/story/4273465

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