如果你可以回到過去殺死你的祖父，事情將會(huì)怎樣？光子 模型揭示量子力學(xué)(quantum mechanics)可以破解 “祖父悖論”這一窘境，甚至破解量子密碼學(xué)（quantum cryptography）
當(dāng)你進(jìn)入封閉類時(shí)曲線后，明天就意味著今天的結(jié)束。
2009年6月28日，世界著名物理學(xué)家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在劍橋大學(xué)舉辦了一場(chǎng)宴會(huì)，宴會(huì)上有氣球、飯前點(diǎn)心和冰鎮(zhèn)香檳。每個(gè)人都收到了邀請(qǐng)，但卻無(wú)一人出席。情況和霍金預(yù)料的差不多，因?yàn)樗窃谘鐣?huì)結(jié)束后才發(fā)出的邀請(qǐng)。
他說，這是“為未來的時(shí)間旅行者舉辦的一次歡迎會(huì)，”是為了證明他2009年的一個(gè)推測(cè)——人類實(shí)際上不可能回到過去——而進(jìn)行的一次玩笑實(shí)驗(yàn)。
但霍金可能錯(cuò)了。近期研究至少?gòu)臄?shù)學(xué)角度為時(shí)間旅行的可行性提供了初步證據(jù)。該研究觸及到了我們對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的核心。時(shí)間旅行絕不僅僅是科幻小說的一個(gè)主題，解決這個(gè)問題將對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)（fundamental physics）和一系列如量子密碼學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生深刻影響。
封閉類時(shí)曲線（Closed Timelike Curves）
時(shí)間旅行這一推測(cè)來源于一個(gè)事實(shí)，即即便是最無(wú)懈可擊的物理理論也沒有說我們不可能回到過去。
根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論（general relativity），回到過去的可能性是存在的。
在廣義相對(duì)論中，引力被描述為由能量和物質(zhì)導(dǎo)致的時(shí)空彎曲。非常強(qiáng)大的引力場(chǎng)（gravitational field），如旋轉(zhuǎn)黑洞產(chǎn)生的引力場(chǎng)，理論上可以徹底改變世間萬(wàn)物的構(gòu)造，使時(shí)空自動(dòng)反彈回去。如此便產(chǎn)生了“封閉類時(shí)曲線”，簡(jiǎn)稱CTC，即人們可以穿越回過去的一個(gè)封閉圈。
霍金和其他物理學(xué)家并不認(rèn)可封閉類時(shí)曲線，原因在于，如果任何肉眼可見的物體可以穿越CTC，勢(shì)必會(huì)造成因果關(guān)系破裂的悖論。然而，物理學(xué)家戴維· 多伊奇（David Deutsch）于1991年提出的一個(gè)模型認(rèn)為，在量子尺度上我們可以因?yàn)榛玖Ｗ拥男袨楸苊釩TCs造成的悖論，這些悖論遵循的只是模糊概率規(guī)則，并不是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臎Q定論。
昆士蘭大學(xué)（University of Queensland）的物理學(xué)家提姆·拉爾夫（Tim Ralph）說，“有趣的是，人們用廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)CTC導(dǎo)致的悖論，但一旦從量子力學(xué)的角度考慮時(shí)，這些悖論就消失不見了”。他還說，“這會(huì)讓人疑惑，構(gòu)建一種可以統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的理論究竟重要與否”。
曲線試驗(yàn)
最近，拉爾夫和他的博士生馬丁·瑞巴爾（Martin Rinbauer）帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)第一次模擬了多伊奇的CTCs模型，測(cè)試并驗(yàn)證這個(gè)歷經(jīng)20年的舊理論的諸多方面。其發(fā)現(xiàn)結(jié)果發(fā)布在《自然通訊》（Nature Communications）雜志上（《科學(xué)美國(guó)人》是自然出版集團(tuán)的一部分）。他們的多數(shù)實(shí)驗(yàn)是以研究多伊奇模型如何解決“祖父悖論”為中心。所謂“祖父悖論”，即某人通過CTC回到過去殺死自己的祖父，從而阻止自己的出生。多伊奇破解“祖父悖論”的量子解決方案如下：
試想，如果不讓人類穿越時(shí)空回到過去殺死自己的祖先，而是讓一個(gè)基本粒子回到過去打開粒子發(fā)射機(jī)器的開關(guān)。如果該粒子成功按下開關(guān)，機(jī)器會(huì)發(fā)射出一個(gè)粒子，而這個(gè)粒子就會(huì)回到CTCs；反之，機(jī)器便什么也不發(fā)射。在這一設(shè)想方案中，沒有人能夠事先知道該機(jī)器是否一定能發(fā)射出粒子，只知道其發(fā)射概率。多伊奇的理解在于假設(shè)量子范疇內(nèi)的自治性，并堅(jiān)持認(rèn)為任何進(jìn)入CTC一端的粒子必然會(huì)出現(xiàn)在CTC的另一端，而且性質(zhì)不變。因此粒子發(fā)射機(jī)器能夠發(fā)射粒子的幾率是50%，而該粒子進(jìn)入CTC，再?gòu)腃TC另一端出來，打開粒子發(fā)射器開關(guān)的幾率也是50%。如果換做是人，那么她能否殺死自己祖父的幾率各占一半，假設(shè)他祖父有可能從她手里逃脫——那么時(shí)間曲線就極有可能閉合，這樣，我們就可以從概率角度上逃脫悖論。雖然這一解決方案聽起來很奇怪，但它符合目前我們已知的量子力學(xué)。
在拉爾夫、瑞巴爾和同事進(jìn)行的新型模擬實(shí)驗(yàn)中，他們利用量子體系中偏振光子對(duì)(pairs ofpolarized photon)的相互作用研究多伊奇的模型。他們認(rèn)為這一體系可以精確地等同于穿越CTC的單光子（single photon）。瑞巴爾說，“我們對(duì)光子的偏振作用進(jìn)行了編碼，如此一來，從某種程度上我們就可以把第二個(gè)光子看做是第一個(gè)光子過去的化身。”所以我們不用把人類送入時(shí)間封閉圈，只需要將某個(gè)人的替身送入模擬的時(shí)間曲線中，再檢測(cè)出現(xiàn)在CTC中的替身是否和過去的真人完全一樣。
在第一個(gè)光子與第二個(gè)光子進(jìn)行電子相互作用后，通過多重實(shí)驗(yàn)測(cè)量第二個(gè)光子的偏振狀態(tài)，拉爾夫團(tuán)隊(duì)成功演示了多伊奇自我一致性的可行性?！拔挥贑TC模擬出口的光子狀態(tài)和我們放入CTC入口的光子狀態(tài)是一樣的?！崩瓲柗蛘f?！爱?dāng)然，我們并沒有把什么東西真正送回到過去，但模擬時(shí)間旅行可以讓我們研究在量子力學(xué)中不可行的怪異進(jìn)化論?！?/span>
瑞巴爾說，CTC可以讓“怪異的進(jìn)化論”成為可能，而且這些進(jìn)化論具有巨大的實(shí)際用途，比如通過克隆基本粒子的量子態(tài)，破解量子密碼。他還說，“如果可以克隆量子態(tài)，就可以打破海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理（Heisenberg uncertainty principle），”這在量子密碼學(xué)中遲早會(huì)派上用場(chǎng)，因?yàn)檫@一原理不允許同時(shí)對(duì)成對(duì)變量進(jìn)行精確測(cè)量，比如位置和動(dòng)量（momentum）“但是，如果你可以克隆量子體系，你就可以分別測(cè)量第一個(gè)體系中的一個(gè)量和第二個(gè)體系中的另一個(gè)量，從而破解加密信息?！?/span>
南加利福尼亞大學(xué)（University of Southern California）的物理學(xué)家托德·布朗（Todd Brun）說道，“正是由于CTC的存在，量子力學(xué)可以使人們從事非常復(fù)雜的信息處理工作，這些工作比我們認(rèn)為的傳統(tǒng)甚至是普通的量子計(jì)算機(jī)所能做的工作還要復(fù)雜得多?！辈贿^，他沒有參與拉爾夫團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)。他還說，“如果多伊奇的模型是正確的，那么這一實(shí)驗(yàn)就如實(shí)模擬了在真正的CTC條件下發(fā)生的事情。但實(shí)驗(yàn)本身并不能證明多伊奇模型，唯一的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)就是進(jìn)入真正的封閉類時(shí)曲線”。
其它理論
不過，多伊奇模型并不是破解“祖父悖論”的唯一辦法。麻省理工學(xué)院的理論家賽斯·勞埃德（Seth Lloyd）于2009年提出了另外一種模型。該模型不及CTC全面，運(yùn)用的是量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation）和一種稱之為事后選擇（post-selection）的技術(shù)，而不是多伊奇量子范疇內(nèi)的自我一致性。2011年，勞埃德和其加拿大合作者模擬實(shí)驗(yàn)成功?！岸嘁疗娴睦碚撚幸环N破壞關(guān)聯(lián)性的奇怪影響，”勞埃德說道?！皳Q言之，即一個(gè)出現(xiàn)在多伊奇式CTC的時(shí)間旅行者進(jìn)入一個(gè)宇宙，而這個(gè)宇宙和她之前所在的那個(gè)宇宙卻毫不相關(guān)。相比之下，后選擇式CTC沒有破壞關(guān)聯(lián)性，因此時(shí)間旅行者可以回到與她過去記憶中完全相同的那個(gè)宇宙”。
雖然CTC在特有的時(shí)空領(lǐng)域中遠(yuǎn)比計(jì)算機(jī)的信息處理功能強(qiáng)大，但勞埃德這一模型的屬性減弱了CTC對(duì)信息處理的影響力。勞埃德說，“CTCs幫助我們解決問題的可能性如同大海撈針，但在多伊奇式CTC中，一臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠首先解決大海為什么會(huì)存在的問題”。
盡管如此，勞埃德卻欣然承認(rèn)CTC還僅僅是一種推測(cè)。他說，“我不知道哪個(gè)模型真正有效?；蛟S以上兩個(gè)模型都是錯(cuò)的?！彼€補(bǔ)充到，另一種可能性自然就是霍金的說法是正確的，“CTC根本就不存在?！睘闀r(shí)間旅行者舉行歡迎會(huì)的籌劃者應(yīng)該把香檳留給他們自己——他們滿懷期待迎接的來自未來的客人似乎不可能來了。
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