2019 年 4 月 24 日，《復(fù)仇者聯(lián)盟 4：終局之戰(zhàn)》在大陸上映。電影很精彩，而在這之中，鋼鐵俠托尼·史塔克提到的科學(xué)家大衛(wèi)·多伊奇（David Deutsch），他的研究成果成為了引領(lǐng)整個(gè)故事走向的重要理論。
在電影中，蟻人告訴浩克，說(shuō)他會(huì)在穿越到過(guò)去后小心謹(jǐn)慎行事，絕對(duì)不會(huì)和過(guò)去的自己接觸，也不會(huì)殺死任何人。而浩克則告訴蟻人，這種事情是不會(huì)發(fā)生的，因?yàn)閺?fù)仇者們穿越到的過(guò)去是另外一個(gè)時(shí)間線，即漫威電影平行宇宙，因而不會(huì)對(duì)他們目前所處的主宇宙造成影響。當(dāng)然，漫威也沒(méi)忘了利用這個(gè)機(jī)會(huì)調(diào)侃一下多部著名時(shí)空穿越電影......
圖 | 復(fù)仇者聯(lián)盟成員進(jìn)行穿越
浩克的說(shuō)法來(lái)自于多伊奇的理論。多伊奇是牛津大學(xué)的 理論物理學(xué)家，他的理論《近封閉類時(shí)線量子力學(xué)》（Quantum mechanics near closed timelike lines (http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=1138904)）也曾于 1991 年 11 月 15 日發(fā)表，其理論主要內(nèi)容為通過(guò)量子力學(xué)的推論，穿越到過(guò)去發(fā)生的事情并不會(huì)影響現(xiàn)在。在該論文中，多伊奇的方法是基于阿隆佐·邱琦（Alonzo Church）所提出的邱琦圖靈猜想：每個(gè)有限可實(shí)現(xiàn)的物理系統(tǒng)都可以通過(guò)有限手段運(yùn)行的通用模型計(jì)算機(jī)完美地模擬。由此制作出一種模型計(jì)算機(jī)，它是圖靈機(jī)的量子泛化，即通用量子計(jì)算機(jī)。而這種計(jì)算機(jī)和量子理論是相容的。
多伊奇認(rèn)為，類似通用量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)器是可以建造的，并具有許多遠(yuǎn)超任何圖靈機(jī)的性能。這種計(jì)算機(jī)雖然沒(méi)有非遞歸函數(shù)的計(jì)算，但它們確實(shí)包括“量子并行”。到此處就會(huì)發(fā)現(xiàn)，量子計(jì)算機(jī)祖宗理查德·費(fèi)曼（Richard Phillips Feynman）所提出的構(gòu)想“用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子現(xiàn)象，則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少”，這和多伊奇的理論極為接近，甚至可以說(shuō)是一樣的。
那么目前 IBM 已經(jīng)推出了量子計(jì)算機(jī) Q System One。由此反推回去，多伊奇的推理是有前瞻性的。
接著多伊奇又以通用量子計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，于 1989 年發(fā)表了《量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)》。這篇文章和人們口中的互聯(lián)網(wǎng)、萬(wàn)維網(wǎng)關(guān)系不大，主要是經(jīng)典計(jì)算機(jī)中邏輯電路理論的量子擴(kuò)展。他提出了量子門的概念，這是經(jīng)典邏輯門的延伸。量子門是單一類型的門，連同量子“單位線”，足以構(gòu)建具所有量子計(jì)算特性的網(wǎng)絡(luò)。
通過(guò)上述的這兩種猜想，就可以用量子計(jì)算機(jī)模擬封閉類時(shí)間曲線（closed timelike curve，CTC）中的量子運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在一洛倫茲流形中，一條 CTC 是一物質(zhì)粒子于時(shí)空中的一種時(shí)間線，其為“封閉”，亦即會(huì)返回起始點(diǎn)。
時(shí)間線理論也被動(dòng)畫片《命運(yùn)石之門》當(dāng)作重要的背景設(shè)定。即使在相同時(shí)間，不同時(shí)間線的故事截然不同。
CTC 理論中也強(qiáng)調(diào)了這樣一個(gè)猜想：假如你回到過(guò)去，在自己父親出生前把自己的祖父母殺死，但此舉動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一矛盾的情況，你回到過(guò)去殺了你年輕的祖父，祖父死了就沒(méi)有父親，沒(méi)有父親也不會(huì)有你，那么是誰(shuí)殺了祖父呢？
這就是祖父悖論。而《復(fù)仇者聯(lián)盟 4：終局之戰(zhàn)》中蟻人和鋼鐵愛(ài)國(guó)者所提到的假設(shè)，就是基于此。
圖 | 復(fù)仇者聯(lián)盟（來(lái)源：pixabay）
CTC 的存在源于廣義相對(duì)論，2018 年 7 月時(shí)，德國(guó)馬普學(xué)會(huì)地外物理研究所科學(xué)家 Reinhard Genzel 在銀河系中央捕捉到將恒星釋放的光線拉長(zhǎng)的巨大黑洞。根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，光線在強(qiáng)引力場(chǎng)作用下會(huì)出現(xiàn)拉伸現(xiàn)象，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，向紅波方向偏移，這被稱為引力紅移效應(yīng)。
也就意味著，多伊奇利用通用量子計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模擬 CTC，是有可能的。只是他本人在當(dāng)時(shí)可能不知情，多伊奇所生活的年代，廣義相對(duì)論并未得到證實(shí)，甚至連量子物理學(xué)也仍是奇思異想。
既然多伊奇猜想的前提至少是得到認(rèn)可的，那么他接下來(lái)的猜測(cè)也就相對(duì)合理了。他先抽象出基礎(chǔ)幾何，因?yàn)橥ㄓ昧孔佑?jì)算機(jī)是基于邱琦圖靈理論的，所以論證部分只考慮有限數(shù)量粒子的時(shí)間線。同時(shí)，多伊奇忽略了粒子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的偏差值，把它視作為經(jīng)典動(dòng)力學(xué)。
多伊奇在文中指出，只有當(dāng)粒子的時(shí)間線在太空中非常接近時(shí)，它們才會(huì)相互作用。而借由此產(chǎn)生的模型是有限的。雖然當(dāng)它在沿著固定軌道運(yùn)行，僅在短距離內(nèi)相互作用，可能看起來(lái)是限制性的和人為的，但其實(shí)并非如此。
首先，這類模型在計(jì)算上是通用的，因?yàn)樯衔奶岬降牧孔佑?jì)算網(wǎng)絡(luò)可以模擬任何有限量子系統(tǒng)的行為，允許網(wǎng)絡(luò)具有時(shí)間和空間循環(huán)，可以以適當(dāng)?shù)姆绞綌U(kuò)展普遍性。其次，對(duì)于任何量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，都有一個(gè)時(shí)空的概念，這樣粒子通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的軌跡就可以用一組相應(yīng)連接和對(duì)齊的時(shí)空時(shí)間線段來(lái)識(shí)別。
根據(jù)模擬的結(jié)果多伊奇發(fā)現(xiàn)，以往 CTC 研究中的祖父悖論，無(wú)論人們采取何種假設(shè)，在量子力學(xué)下根本不會(huì)發(fā)生，因?yàn)橐磺邪l(fā)生在一個(gè)嶄新的時(shí)空。這就與《假面騎士電王》中時(shí)間列車改變過(guò)去、影響未來(lái)的概念截然相反。
既然如此，時(shí)空穿越或許真的有可能？拋開(kāi)古一法師提到的無(wú)限寶石不在原點(diǎn)會(huì)觸發(fā)新的時(shí)間線不談，《復(fù)仇者聯(lián)盟 4：終局之戰(zhàn)》的劇情真的就合理了嗎？
多伊奇在論文的最后是這樣說(shuō)的，“邱琦圖靈原理暗示，如果 CTC 在時(shí)空的某個(gè)地方出現(xiàn)非零振幅，那么原則上制造時(shí)間機(jī)器是可能的。但奇怪的是，對(duì)一個(gè)很可能不會(huì)發(fā)生的物理情況進(jìn)行分析，竟然會(huì)對(duì)量子理論產(chǎn)生如此多的見(jiàn)解?！?/span>
換句話說(shuō)，多伊奇本人壓根不相信時(shí)空穿越這種事，他全文只是在用量子理論證明祖父悖論是錯(cuò)的，僅此而已。也正是因此許多影評(píng)人認(rèn)為，美國(guó)隊(duì)長(zhǎng)最后穿越回過(guò)去歸還原時(shí)間點(diǎn)上的無(wú)限寶石，最后卻能在 1970 年生活，并且出現(xiàn)在電影的片尾，實(shí)際上是一個(gè)為了交接振金盾牌而出現(xiàn)的小小 BUG。
但是事情到這里還沒(méi)完，多伊奇的確是在論文中夾帶私貨，把得了時(shí)空穿越妄想癥的人 Diss 了一番。于是就有人忍不住站出來(lái)了，指著多伊奇理論的鼻子說(shuō)，不能時(shí)空穿越？你的文章結(jié)果不僅讓人匪夷所思，甚至從直覺(jué)上就是錯(cuò)的。
圖 | 滅霸穿越到未來(lái)
這個(gè)人就是澳大利亞昆士蘭大學(xué)數(shù)學(xué)和物理學(xué)院量子計(jì)算和通信技術(shù)中心的馬丁·林鮑爾（Martin Ringbauer）。他于 2014 年發(fā)表了論文《封閉類時(shí)間曲線的實(shí)驗(yàn)?zāi)M》，通過(guò)標(biāo)題就能看出林鮑爾想要直接用結(jié)果推翻多伊奇的猜想。
現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)量子模擬允許人們提出有意義的問(wèn)題，這些問(wèn)題提供了對(duì)復(fù)雜量子系統(tǒng)行為的見(jiàn)解。在量子力學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，特別是相對(duì)論量子信息領(lǐng)域，已經(jīng)獲得了初步結(jié)果。最近的實(shí)驗(yàn)成功，加上人們對(duì)量子力學(xué)非線性擴(kuò)展研究的熱忱越來(lái)越高漲，結(jié)果就激發(fā)了這樣一個(gè)問(wèn)題：從根本上講，非線性動(dòng)力學(xué)和 CTC 引起的獨(dú)特行為是否可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M？
在多伊奇的模型中，量子態(tài)模型| ψ >與自身的舊版本進(jìn)行交互。這種情況確保了在量子態(tài)可能不會(huì)在蟲(chóng)洞內(nèi)發(fā)生變化的意義上，物理的一致性以及引起量子態(tài)的非線性演化。
圖丨圖中ρCTC 的量子態(tài)由多伊奇的一致性關(guān)系決定（圖源：《封閉類時(shí)間曲線的實(shí)驗(yàn)?zāi)M》）
為了用量子力學(xué)模擬出這種非線性演化，林鮑爾利用向系統(tǒng)中輸入額外信息所獲得的有效非線性。具體來(lái)講就是使用關(guān)于量子態(tài)|ψ〉和 U 在初始狀態(tài)的信息，按照一致性關(guān)系方程的要求，在適當(dāng)狀態(tài)的ρCTC 中準(zhǔn)備 CTC 的量子位。進(jìn)化完成后，林鮑爾再對(duì) CTC 量子位進(jìn)行全量子態(tài)層析成像，以驗(yàn)證一致性關(guān)系是否滿足。
圖丨一致性關(guān)系方程（圖源：《封閉類時(shí)間曲線的實(shí)驗(yàn)?zāi)M》)
通過(guò)模擬ρCTC 在 CTCT 中的變化，特別是不同形式的消相干的影響。林鮑爾發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中固有的非線性實(shí)際上并不一致，這表明非線性效應(yīng)僅在某些情況下和特定的一組測(cè)量中變得明顯。
用通俗的話來(lái)描述這項(xiàng)研究就是，科學(xué)家使用兩個(gè)光量子（光子）模擬了量子粒子在時(shí)間中的旅行，并對(duì)其“一舉一動(dòng)”進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，至少在量子尺度上，時(shí)間旅行是可以實(shí)現(xiàn)的。
這也就意味著多伊奇的結(jié)論不一定正確。
為什么說(shuō)不一定正確呢？誠(chéng)然用于研究在實(shí)踐中很難甚至無(wú)法觀測(cè)的量子系統(tǒng)，量子模擬就成為了一種多功能且功能強(qiáng)大的工具。人們盡管迄今為止尚未發(fā)現(xiàn) CTC，卻仍然能夠能用量子模擬研究其獨(dú)特的性質(zhì)和行為。
可關(guān)鍵在于，量子模擬不一定是準(zhǔn)確的，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。林鮑爾的模擬只有在得到進(jìn)一步驗(yàn)證以后，才能推翻多伊奇的理論。因此多伊奇是否是錯(cuò)的，或許只有鋼鐵俠自己心理清楚。
林鮑爾的研究符合大眾的期望。人們通常以為，在愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中，只要超過(guò)光速就可以時(shí)間旅行。
廣義相對(duì)論也確實(shí)沒(méi)有禁止時(shí)間旅行，在理論上，類似黑洞的大質(zhì)量物體的強(qiáng)大引力場(chǎng)能讓時(shí)空發(fā)生扭曲，有可能創(chuàng)造出“封閉類時(shí)曲線”，一個(gè)允許向后旅行的環(huán)?；艚鸬任锢韺W(xué)家都不喜歡“封閉類時(shí)曲線”，因?yàn)槿魏螘r(shí)間旅行都不可避免地產(chǎn)生諸如祖父悖論這樣情況，導(dǎo)致因果律瓦解。
圖 | 封閉類時(shí)曲線
但重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院講師胡鋒告訴 DeepTech，祖父悖論實(shí)際上是“不成立”的。在廣義相對(duì)論中，單個(gè)粒子的時(shí)間穿越是可能的；但由億萬(wàn)個(gè)細(xì)胞、無(wú)數(shù)復(fù)雜生化反應(yīng)構(gòu)成的人身上，是不可能發(fā)生時(shí)空穿越的，統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律限制了這一切。
不只是人體，只要進(jìn)入微米以上尺度，時(shí)間穿越就不會(huì)發(fā)生。比如一杯水，把它潑向大海，那么你再也得不到同樣的一杯水，真正是覆水難收。
時(shí)至今日，縱然量子力學(xué)有著很多缺陷，比如在表述一個(gè)完整的引力場(chǎng)時(shí)，量子力學(xué)的基礎(chǔ)假設(shè)就和廣義相對(duì)論產(chǎn)生了嚴(yán)重的沖突。但這并不妨礙量子力學(xué)從根本上改變?nèi)祟悓?duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其相互作用的理解，也無(wú)法阻止人們對(duì)于這門學(xué)科的追捧與熱愛(ài)。
世界上，量子力學(xué)對(duì)今天人們的科技生活有著極為廣泛的影響，眾所周知的激光，就是利用了電子的波粒二象性原理。諸如此類的事物還有很多，尤其是時(shí)間和宇宙，都可以用量子力學(xué)來(lái)解釋。
當(dāng)然，娛樂(lè)作品才是量子力學(xué)最多的輸出領(lǐng)域，時(shí)間穿越的魅力還是難以抗拒的。除了上文提到的《命運(yùn)石之門》和《假面騎士電王》以外，還有像是《涼宮春日的憂郁》《絕園的暴風(fēng)雨》《未來(lái)日記》等。游戲中對(duì)于穿越的描述更是屢見(jiàn)不鮮，《英雄聯(lián)盟》中的艾克和《DOTA2》中的編織者都能進(jìn)行穿越，從而回到幾秒前的地方。還有那個(gè)直接把量子力學(xué)所涉及的科學(xué)理論搬到游戲中去的《量子破碎》。
毫無(wú)疑問(wèn)，《復(fù)仇者聯(lián)盟 4：終局之戰(zhàn)》是在眾多穿越作品中最好看的之一。電影容納了鋼鐵俠、黑寡婦為了拯救世界的決心，也塑造了滅霸這樣又強(qiáng)大、又具毀滅性的大反派。
作為一名漫威的忠實(shí)觀眾，我甚至都難以想象漫威影業(yè)會(huì)在未來(lái)呈現(xiàn)給觀眾怎樣的沖擊力。那些像是無(wú)限、永恒、死亡、熵這樣的宇宙神明是否會(huì)走上熒屏？收購(gòu)了 20 世紀(jì)福克斯的迪士尼會(huì)不會(huì)拍攝復(fù)仇者對(duì) X 戰(zhàn)警系列？新生代的英雄們又將展開(kāi)怎樣的冒險(xiǎn)？《少年復(fù)仇者》又能否登場(chǎng)……
亞歷山大·普希金在《奧涅金》中這樣寫到，“夢(mèng)想，夢(mèng)想！你們?nèi)チ四睦铮?/strong>你們是多么引人入勝！”
感謝漫威，用虛構(gòu)出來(lái)的復(fù)仇者們，圓了人們一場(chǎng)真切的科幻夢(mèng)。演員會(huì)有老得演不動(dòng)戲的時(shí)候，英雄卻萬(wàn)古長(zhǎng)青。
-End-
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