如果你可以回到過去殺死你的祖父，事情將會怎樣？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)舉辦了一場宴會，宴會上有氣球、飯前點心和冰鎮(zhèn)香檳。每個人都收到了邀請，但卻無一人出席。情況和霍金預(yù)料的差不多，因為他是在宴會結(jié)束后才發(fā)出的邀請。
他說，這是“為未來的時間旅行者舉辦的一次歡迎會，”是為了證明他2009年的一個推測——人類實際上不可能回到過去——而進(jìn)行的一次玩笑實驗。
但霍金可能錯了。近期研究至少從數(shù)學(xué)角度為時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宇宙認(rèn)識的核心。時間旅行絕不僅僅是科幻小說的一個主題，解決這個問題將對基礎(chǔ)物理學(xué)（fundamental physics）和一系列如量子密碼學(xué)、計算機技術(shù)等實際應(yīng)用產(chǎn)生深刻影響。
封閉類時曲線（Closed Timelike Curves）
時間旅行這一推測來源于一個事實，即即便是最無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論（general relativity），回到過去的可能性是存在的。
在廣義相對論中，引力被描述為由能量和物質(zhì)導(dǎo)致的時空彎曲。非常強大的引力場（gravitational field），如旋轉(zhuǎn)黑洞產(chǎn)生的引力場，理論上可以徹底改變世間萬物的構(gòu)造，使時空自動反彈回去。如此便產(chǎn)生了“封閉類時曲線”，簡稱CTC，即人們可以穿越回過去的一個封閉圈。
霍金和其他物理學(xué)家并不認(rèn)可封閉類時曲線，原因在于，如果任何肉眼可見的物體可以穿越CTC，勢必會造成因果關(guān)系破裂的悖論。然而，物理學(xué)家戴維· 多伊奇（David Deutsch）于1991年提出的一個模型認(rèn)為，在量子尺度上我們可以因為基本粒子的行為避免CTCs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，人們用廣義相對論預(yù)測CTC導(dǎo)致的悖論，但一旦從量子力學(xué)的角度考慮時，這些悖論就消失不見了”。他還說，“這會讓人疑惑，構(gòu)建一種可以統(tǒng)一廣義相對論和量子力學(xué)的理論究竟重要與否”。
曲線試驗
最近，拉爾夫和他的博士生馬丁·瑞巴爾（Martin Rinbauer）帶領(lǐng)的團(tuán)隊第一次模擬了多伊奇的CTCs模型，測試并驗證這個歷經(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)美國人》是自然出版集團(tuán)的一部分）。他們的多數(shù)實驗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空回到過去殺死自己的祖先，而是讓一個基本粒子回到過去打開粒子發(fā)射機器的開關(guān)。如果該粒子成功按下開關(guān)，機器會發(fā)射出一個粒子，而這個粒子就會回到CTCs；反之，機器便什么也不發(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，并堅持認(rèn)為任何進(jìn)入CTC一端的粒子必然會出現(xiàn)在CTC的另一端，而且性質(zhì)不變。因此粒子發(fā)射機器能夠發(fā)射粒子的幾率是50%，而該粒子進(jìn)入CTC，再從CTC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)行的新型模擬實驗中，他們利用量子體系中偏振光子對(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光子看做是第一個光子過去的化身。”所以我們不用把人類送入時間封閉圈，只需要將某個人的替身送入模擬的時間曲線中，再檢測出現(xiàn)在CTC中的替身是否和過去的真人完全一樣。
在第一個光子與第二個光子進(jìn)行電子相互作用后，通過多重實驗測量第二個光子的偏振狀態(tài)，拉爾夫團(tuán)隊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不準(zhǔn)原理（Heisenberg uncertainty principle），”這在量子密碼學(xué)中遲早會派上用場，因為這一原理不允許同時對成對變量進(jìn)行精確測量，比如位置和動量（momentum）“但是，如果你可以克隆量子體系，你就可以分別測量第一個體系中的一個量和第二個體系中的另一個量，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算機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)隊的實驗。他還說，“如果多伊奇的模型是正確的，那么這一實驗就如實模擬了在真正的CTC條件下發(fā)生的事情。但實驗本身并不能證明多伊奇模型，唯一的檢測標(biāo)準(zhǔn)就是進(jìn)入真正的封閉類時曲線”。
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驗成功?！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。“換言之，即一個出現(xiàn)在多伊奇式CTC的時間旅行者進(jìn)入一個宇宙，而這個宇宙和她之前所在的那個宇宙卻毫不相關(guān)。相比之下，后選擇式CTC沒有破壞關(guān)聯(lián)性，因此時間旅行者可以回到與她過去記憶中完全相同的那個宇宙”。
雖然CTC在特有的時空領(lǐng)域中遠(yuǎn)比計算機的信息處理功能強大，但勞埃德這一模型的屬性減弱了CTC對信息處理的影響力。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，一臺計算機能夠首先解決大海為什么會存在的問題”。
盡管如此，勞埃德卻欣然承認(rèn)CTC還僅僅是一種推測。他說，“我不知道哪個模型真正有效。或許以上兩個模型都是錯的?！彼€補充到，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。”為時間旅行者舉行歡迎會的籌劃者應(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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