前段時(shí)間，在朋友圈各路大神的強(qiáng)烈安利之下，我入坑了《開(kāi)端》。不得不說(shuō)，華語(yǔ)影視劇領(lǐng)域已經(jīng)很久沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)這種帶有科幻元素而又邏輯通暢的劇集了。在《開(kāi)端》中，男女主角搭上了一輛載有一顆炸彈的 45 路公交車。一旦他們因?yàn)楸ɑ蚴撬ヒ庾R(shí)，便會(huì)發(fā)生時(shí)間倒流，他們也會(huì)重新回到還未爆炸的公交車上。主角團(tuán)需要在這一次又一次的循環(huán)中，找到解救全車乘客的方法。這種無(wú)限時(shí)間循環(huán)的題材在以往國(guó)外的科幻劇作中并不少見(jiàn)，比較出名的例子有《源代碼》《忌日快樂(lè)》等。
然而，《開(kāi)端》仍然以新穎的劇情設(shè)計(jì)、嚴(yán)謹(jǐn)精致的細(xì)節(jié)與伏筆而廣受好評(píng)。無(wú)論是在原著小說(shuō)還是影視劇中，作者都沒(méi)有提及時(shí)間循環(huán)發(fā)生的技術(shù)原理。因此，本文將嘗試補(bǔ)全這一物理背景。我們將根據(jù)物理學(xué)家馬爾達(dá)西那（Juan Martin Maldacena, 1968–）與薩斯坎德（Leonard Susskind, 1940–）于 2013 年發(fā)表的 ER = EPR 原理，闡述如何構(gòu)造一臺(tái)可能可以實(shí)現(xiàn)時(shí)光回溯的時(shí)間機(jī)器。
我們的基本邏輯是這樣的：首先，在兩個(gè)不同時(shí)刻制造處于量子糾纏狀態(tài)的基本粒子；然后通過(guò) ER = EPR 原理將這些糾纏粒子轉(zhuǎn)化為連接這兩個(gè)不同時(shí)刻的蟲(chóng)洞。這樣，兩位主角就可以在滿足觸發(fā)條件時(shí)，通過(guò)蟲(chóng)洞返回到炸彈還未爆炸時(shí)的公交車上。這種邏輯設(shè)定可以合理地解釋為何會(huì)發(fā)生時(shí)間循環(huán)，以及為何循環(huán)不會(huì)提前到炸彈上車之前、為何肖的身體狀態(tài)會(huì)越來(lái)越差等一系列原作者挖了卻又填不上的坑。不過(guò)在此之前，我們需要先了解一下蟲(chóng)洞、量子糾纏、ER = EPR 等基礎(chǔ)概念。
如果你關(guān)注科幻，那么我相信你一定不會(huì)對(duì)黑洞（black hole）這個(gè)概念感到陌生。在 2014 年上映的《星際穿越》中，科學(xué)顧問(wèn)基普·索恩（Kip Thorne, 1940–）及其團(tuán)隊(duì)利用數(shù)值相對(duì)論的計(jì)算為我們還原了一個(gè)相當(dāng)真實(shí)的天文學(xué)黑洞。黑洞完全是引力的直接產(chǎn)物。通常物質(zhì)中基本粒子之間的電磁相互作用要遠(yuǎn)大于引力相互作用。
然而，如果有極大量的物質(zhì)聚集在一起，它們之間的產(chǎn)生的引力便有可能克服粒子間的電磁斥力，從而使這些物質(zhì)不斷地向中心坍縮，形成越來(lái)越致密的星體。隨著越來(lái)越多的物質(zhì)被吸入，星體能產(chǎn)生的引力也越來(lái)越大，從而進(jìn)一步導(dǎo)致更多的物質(zhì)被吸入。這種正反饋?zhàn)饔靡坏╅_(kāi)啟便無(wú)法逆轉(zhuǎn)。星體產(chǎn)生的引力越來(lái)越大，直到某一時(shí)刻，連光也無(wú)法從星體的表面逃離。我們的時(shí)空中便因此而產(chǎn)生了一個(gè)幾乎完全不發(fā)光的區(qū)域，也就是黑洞。我們唯一能看見(jiàn)的，只有在黑洞外圍不斷繞著它旋轉(zhuǎn)的一層光環(huán)（吸積盤(pán))。
圖 1天文學(xué)黑洞及周圍吸積盤(pán)的計(jì)算機(jī)渲染圖（Source: NASA)
黑洞在許多人眼里幾乎已經(jīng)成為了神秘的代名詞。然而實(shí)際上，1915 年，在愛(ài)因斯坦（Albert Einstein, 1879–1955）發(fā)表他的廣義相對(duì)論僅僅幾個(gè)月后，史瓦西（Karl Schwarzschild, 1873–1916）便找到了愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的一個(gè)解，即史瓦西解。而史瓦西解的中心就是一個(gè)最簡(jiǎn)單的黑洞。
1960 年，克魯斯卡爾（Martin Kruskal, 1925–2006）將史瓦西解進(jìn)行了拓展，構(gòu)造了所謂的克魯斯卡爾延拓，大概是圖 2 那個(gè)樣子。圖 2 中右側(cè)用羅馬數(shù)字 I 標(biāo)記出來(lái)的菱形區(qū)域是黑洞以外的宇宙，而上方用羅馬數(shù)字 II 標(biāo)記的倒三角區(qū)域便是一個(gè)黑洞。除此之外，克魯斯卡爾延拓還包含了兩個(gè)鏡像的區(qū)域：區(qū)域 III 是一個(gè)鏡像的宇宙，而區(qū)域 IV 便是黑洞的鏡像，我們稱之為白洞（while hole)。白洞的性質(zhì)和黑洞剛好相反：黑洞把物質(zhì)吸進(jìn)去，而白洞則立即把它們吐出來(lái)。
圖 2克魯斯卡爾延拓的彭羅斯圖（Source: 作者的課程作業(yè))
這個(gè)黑洞和白洞的組合就很有意思了。試想，如果我們能把黑洞放在一個(gè)位置，再把白洞放在一個(gè)距離很遠(yuǎn)的地方，那么我們只要往黑洞里扔一個(gè)東西進(jìn)去，這個(gè)東西就會(huì)從白洞里跑出來(lái)。這樣，我們豈不是完成了一次瞬間轉(zhuǎn)移？是的，其實(shí)早在 1916 年，弗萊姆（Ludwig Flamm, 1885–1964）就提出了這種用黑洞和白洞構(gòu)成蟲(chóng)洞（wormhole)。20 世紀(jì) 30 年代，愛(ài)因斯坦與其合作者羅森（Nathan Rosen, 1909–1995）詳細(xì)地研究了利用蟲(chóng)洞做瞬間轉(zhuǎn)移或時(shí)間旅行的可能性。因此，蟲(chóng)洞也被稱為愛(ài)因斯坦-羅森橋（Einstein-Rosen bridge)?？上?，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為，黑洞表面的引力過(guò)于強(qiáng)大，以至于任何物體都很難無(wú)傷通過(guò)。這一想法也就此擱置。
1963 年，數(shù)學(xué)家克爾（Roy Patrick Kerr, 1934–now）發(fā)現(xiàn)，如果黑洞可以旋轉(zhuǎn)，那么其表面某些區(qū)域可能就不會(huì)有過(guò)于離譜的引力，這意味著我們其實(shí)是有機(jī)會(huì)通過(guò)這些引力較弱的區(qū)域進(jìn)入黑洞的。在《星際穿越》中，男主角在接近結(jié)尾時(shí)，嘗試進(jìn)入黑洞獲取量子數(shù)據(jù)，也是利用了這一原理。這一新發(fā)現(xiàn)也使得利用蟲(chóng)洞進(jìn)行瞬間轉(zhuǎn)移或時(shí)間旅行成為物理學(xué)上的一種可能性?！堕_(kāi)端》中的兩位主角，也完全有機(jī)會(huì)利用類似的原理，穿越蟲(chóng)洞，回到還未發(fā)生爆炸的公交車上。
那么問(wèn)題來(lái)了，我們應(yīng)該如何去制造一個(gè)蟲(chóng)洞呢？
1900 年 4 月 27 日，開(kāi)爾文（William Thomson, 1st Baron Kelvin, 1824–1907）在英國(guó)皇家物理學(xué)會(huì)上發(fā)表了著名的「兩朵烏云」論，一朵有關(guān)于光的以太理論，另一朵則是黑體輻射問(wèn)題。戲劇化的是，這兩朵烏云最終演變成為了近代物理學(xué)史上最具顛覆性的兩大突破 — 相對(duì)論與量子力學(xué)。這一軼聞也因此為各路科普作者所津津樂(lè)道。然而，許多人也許不了解的是，這兩大突破性理論互相之間是嚴(yán)重矛盾的。自從它們的誕生之日起，調(diào)和它們二者之間矛盾的努力從未停歇。然而，無(wú)論是量子理論的經(jīng)典詮釋，還是引力的各種量子化方案均未能給出令人滿意的結(jié)果。直到現(xiàn)在，我們?nèi)晕茨軌虺晒Φ亟鉀Q它們之間的各種沖突。因此，廣義相對(duì)論（經(jīng)典引力理論）與量子力學(xué)的矛盾也逐漸成為了現(xiàn)代理論物理學(xué)界最為棘手的問(wèn)題之一。
然而就在世紀(jì)之交，事情突然有了意想不到的變化。1997 年，物理學(xué)家馬爾達(dá)西那（Juan Martin Maldacena, 1968–）提交了一篇論文，闡述了一種被稱為 AdS/CFT 對(duì)偶的物理機(jī)制。他發(fā)現(xiàn)，一種特殊背景下的經(jīng)典引力理論（AdS）與另一種特殊的量子規(guī)范理論（CFT）居然給出了高度相似的結(jié)果。這也就意味著，對(duì)于某種特殊的物理系統(tǒng)，我們既可以用一種經(jīng)典引力理論來(lái)描述，也可以用一種量子規(guī)范理論來(lái)描述。是的，物理學(xué)家努力了快一個(gè)世紀(jì)，嘗試調(diào)和廣義相對(duì)論和量子力學(xué)，結(jié)果最終發(fā)現(xiàn)，它們其實(shí)可能就是同一種現(xiàn)象的兩種不同的描述方式、同一枚硬幣的兩面而已。
這一發(fā)現(xiàn)幾乎瞬間引爆了高能物理學(xué)界。在接下來(lái)的二十幾年里，物理學(xué)家逐漸建立起了這種對(duì)偶更為普適的形式：規(guī)范/引力對(duì)偶。具體來(lái)說(shuō)，就是如果一個(gè)現(xiàn)象可以被一種經(jīng)典引力理論所描述，那么它也很可能可以被某種量子理論所描述，反之亦然。這也就意味著，曾經(jīng)在引力領(lǐng)域的一些難以解決的問(wèn)題，我們也許可以把它轉(zhuǎn)移到量子的領(lǐng)域，嘗試?yán)昧孔蛹夹g(shù)來(lái)解決。這其中就包括蟲(chóng)洞的制造方法。
蟲(chóng)洞是廣義相對(duì)論的產(chǎn)物。然而，廣義相對(duì)論并沒(méi)有告訴我們蟲(chóng)洞是如何產(chǎn)生的。于是，物理學(xué)家想到了利用規(guī)范/引力對(duì)偶將這一問(wèn)題轉(zhuǎn)移到量子的角度去分析。2013 年，物理學(xué)家馬爾達(dá)西那與合作者薩斯坎德（Leonard Susskind, 1940–）發(fā)表了一篇論文。他們發(fā)現(xiàn)，與蟲(chóng)洞相對(duì)應(yīng)的量子現(xiàn)象正是我們?cè)缫褳橹_了很久的量子糾纏（quantum entanglement)。
量子糾纏可以說(shuō)是量子世界里最為神秘的概念之一，它允許距離很遠(yuǎn)的兩個(gè)粒子產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，且這種關(guān)聯(lián)還不受光速這種信息傳遞速度的限制。量子糾纏是一個(gè)高度復(fù)雜而又微妙的現(xiàn)象。為了不跑題，我們用一個(gè)例子來(lái)帶大家快速入門(mén)一下量子糾纏的基本信息。
假設(shè)我們有兩個(gè)電子 A 和 B。我們可以讓它們處于相距很遠(yuǎn)的位置，遠(yuǎn)到哪怕是光都要花上好一會(huì)兒才能從 A 到 B。電子有一種自身的屬性叫自旋（spin）。自旋可以有向上（spin-up）和向下（spin-down）兩種選擇。如果 A 和 B 處于最大量子糾纏狀態(tài)，那么我們將看到一種神奇的現(xiàn)象：?jiǎn)为?dú)測(cè)量 A 或者 B 的自旋方向，它們都有 50% 的可能處于向上，也有 50% 可能處于向下；然而，每當(dāng)A 處于向上時(shí)，B 就處于向下；同樣，每當(dāng)A 向下，B 就向上，無(wú)一例外，就好像它們「早就說(shuō)好了」一樣。然而，又有設(shè)計(jì)精巧的實(shí)驗(yàn)證明，它們其實(shí)并沒(méi)有「早就說(shuō)好」。一切都是在測(cè)量的那一瞬間決定的。那么現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了，B 是如何知道我們測(cè)量了 A，又是如何獲得 A 的測(cè)量結(jié)果的呢？
圖 3ER = EPR
很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，我們對(duì)此毫無(wú)頭緒。然而，規(guī)范/引力對(duì)偶告訴我們，B 很可能是通過(guò)一個(gè)藏在 A、B 身后的蟲(chóng)洞來(lái)維系和 A 的關(guān)聯(lián)。這個(gè)蟲(chóng)洞就像是 A、B 之間的一條「捷徑」，使得它們無(wú)需通過(guò)其它物理過(guò)程來(lái)施加對(duì)彼此的「影響」。這一結(jié)論被稱為ER = EPR。其中，ER 指的就是愛(ài)因斯坦-羅森橋（Einstein-Rosen bridge)，而 EPR 則是愛(ài)因斯坦（Einstein)、波多爾斯基（Podolsky)、羅森（Rosen）三人姓氏的縮寫(xiě)；他們于 1935 年在論文中首次提出量子糾纏的概念，從而 EPR 也成為了量子糾纏的代稱。
ER = EPR 原理告訴我們，如果我們想要制造一個(gè)蟲(chóng)洞，那么我們只需要制造量子糾纏。而制造量子糾纏則恰恰是當(dāng)前量子物理學(xué)界的拿手好活——在各種量子通訊手段中，制造量子糾纏都是重要的一步。事實(shí)上，我國(guó)在此類技術(shù)上甚至早已走在世界前列（從這個(gè)角度講，《開(kāi)端》作為國(guó)產(chǎn)劇還真是相當(dāng)應(yīng)景)。
讓我們來(lái)整理一下，既然制造量子糾纏就能產(chǎn)生蟲(chóng)洞，而我們又早已掌握了制造量子糾纏的技術(shù)，那豈不是說(shuō)我們已經(jīng)可以制造蟲(chóng)洞了嗎？
確實(shí)是這樣的。事實(shí)上，我們已經(jīng)可以做到對(duì)少量的粒子進(jìn)行超時(shí)空傳送。只是量子物理學(xué)界并沒(méi)有把它理解為通過(guò)蟲(chóng)洞來(lái)進(jìn)行傳送，而是給它賦予了一個(gè)全新的名字：量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation)。甚至，央視新聞也早已為此做過(guò)專門(mén)的報(bào)道：
圖 4央視新聞關(guān)于量子隱形傳態(tài)的報(bào)道
不過(guò)，這種技術(shù)可能和很多人想象中的「穿越蟲(chóng)洞」不太一樣。這一過(guò)程中，并沒(méi)有任何物質(zhì)真正地被「?jìng)魉汀?。?shí)際傳送的只是物質(zhì)的狀態(tài)而已。也就是說(shuō)，如果將來(lái)我們用這種技術(shù)制造可以把「你」從北京傳送到上海的機(jī)器，那么這臺(tái)機(jī)器的實(shí)際運(yùn)行原理是，把在北京的這個(gè)「你」打散為基本粒子，獲得構(gòu)成「你」的基本粒子的所有信息，然后通過(guò)量子糾纏關(guān)聯(lián)到上海的一堆基本粒子上，從而把在上海的這堆基本粒子重新構(gòu)造成一個(gè)「你」。由于傳送前后構(gòu)成「你」的所有基本粒子的狀態(tài)是一致的，因而從物理角度講，這兩個(gè)「你」其實(shí)是同一個(gè)「你」。
我希望你沒(méi)被我繞暈了。
所以，如果我們想要制造一個(gè)如《開(kāi)端》中描述的時(shí)間循環(huán)，我們只需要通過(guò)量子糾纏，設(shè)置一個(gè)蟲(chóng)洞。這樣，兩位主角就可以在滿足觸發(fā)條件（例如爆炸、睡著等）的情況下，通過(guò)這個(gè)蟲(chóng)洞回到公交車上。目前的量子隱形傳態(tài)只能夠在兩個(gè)不同的空間點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)超時(shí)空傳送。那么是否可以在兩個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)之間進(jìn)行傳送呢？我們目前還不知道，至少暫時(shí)還沒(méi)有這樣的技術(shù)出現(xiàn)。所以，我們也只能做一步科幻式的設(shè)想：假設(shè)我們可以在兩個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)之間構(gòu)造量子糾纏，那么我們就可以在這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間構(gòu)造蟲(chóng)洞，從而實(shí)現(xiàn)「時(shí)間機(jī)器」的功能。
但是，這種時(shí)間機(jī)器是有功能上的限制的。比如，相對(duì)于現(xiàn)在的 [過(guò)去] 并不存在任何糾纏粒子。所以你無(wú)法通過(guò)這種時(shí)間機(jī)器回到它還沒(méi)有被創(chuàng)造出來(lái)的時(shí)刻。你能做的只是在制造出時(shí)間機(jī)器后，在某個(gè) [將來(lái)] 的時(shí)刻放置糾纏粒子，然后在 [更遠(yuǎn)的將來(lái)] 回到 [將來(lái)] 這個(gè)時(shí)間點(diǎn)。所以，從這個(gè)角度上講，這種時(shí)間機(jī)器與其說(shuō)是在做時(shí)間旅行，不如說(shuō)是在「放置還原點(diǎn)」，就像你給數(shù)據(jù)做備份一樣。
圖 5一種可能的時(shí)間機(jī)器的運(yùn)行時(shí)間線
另外，糾纏粒子是會(huì)被消耗的。這是由量子隱形傳態(tài)的原理所作出的合理推測(cè)。也就是說(shuō)，這種還原點(diǎn)一般是一次性的。也就是說(shuō)，如果某個(gè)時(shí)刻你放置的糾纏粒子只夠進(jìn)行一次傳送，那么傳送完成，這一還原點(diǎn)也就消失了。
所以，如果要制造時(shí)間循環(huán)，從技術(shù)推測(cè)上講，你只需要在某一時(shí)刻放置許多還原點(diǎn)。這樣，在將來(lái)的某個(gè)時(shí)刻觸發(fā)還原條件，就可以還原到還原時(shí)刻。由于還原點(diǎn)會(huì)被消耗，循環(huán)最終也會(huì)在糾纏粒子被消耗殆盡后結(jié)束。你在最后一次循環(huán)前所經(jīng)歷的所有循環(huán)，在量子理論的觀點(diǎn)中，都是發(fā)生在某個(gè)「平行時(shí)空」中的；對(duì)于其他人而言，只有最后一次循環(huán)真實(shí)地發(fā)生了。
所以，根據(jù)這樣的原理，《開(kāi)端》劇中所涉及時(shí)間循環(huán)的最合理解釋是：有一個(gè)掌握了時(shí)間機(jī)器技術(shù)的神秘人，在炸彈上車后就開(kāi)始大量設(shè)置還原點(diǎn)，使得主角團(tuán)可以不斷地回到公交車上，尋找阻止炸彈爆炸的方法。而這個(gè)神秘人也許并沒(méi)有來(lái)得及在炸彈上車之前就設(shè)置好還原點(diǎn)，這也就使得主角團(tuán)無(wú)法回到更早的時(shí)間點(diǎn)去阻止炸彈上車。
另外，我們也可以順帶解釋一下為什么肖的身體會(huì)越來(lái)越差。很可能這種循環(huán)一開(kāi)始只是為李而設(shè)置的。當(dāng)肖也進(jìn)入循環(huán)了以后，每次循環(huán)消耗的糾纏粒子就增多了。這種時(shí)候，傳送的保真度（fidelity）也會(huì)因此而下降，從而導(dǎo)致肖在循環(huán)后期并不能夠做到比較完美的還原。
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關(guān)鍵詞： 量子糾纏 時(shí)間機(jī)器 基本粒子
