如果你可以回到過去殺死你的祖父，事情將會怎樣？

　　對於科幻影片來説，時空穿越是永恒的主題之一，目前熱映的《星際穿越》也不例外。

　　科學家稱，光子模型揭示量子力學可以破解“祖父悖論”這一窘境，甚至破解量子密碼學。

　　發給時間旅行者的邀請

　　2009年6月28日，世界著名物理學家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在康橋大學舉辦了一場宴會，宴會上有氣球、飯前點心和冰鎮香檳。每個人都收到了邀請，但卻無一人出席。情況和霍金預料的差不多，因為他是在宴會結束後才發出的邀請。

　　他説，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——而進行的一次玩笑實驗。

　　但霍金可能錯了。近期研究至少從數學角度為時間旅行的可行性提供了初步證據。該研究觸及到了我們對宇宙認識的核心。時間旅行絕不僅僅是科幻小説的一個主題，解決這個問題將對基礎物理學和一系列如量子密碼學、電腦技術等實際應用産生深刻影響。

　　封閉類時曲線

　　時間旅行這一推測來源於一個事實——即便是最無懈可擊的物理理論也沒有説我們不可能回到過去。

　　根據愛因斯坦的廣義相對論，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導致的時空彎曲。非常強大的引力場，如旋轉黑洞産生的引力場，理論上可以徹底改變黑洞所在的時空結構，使時空彎曲。如此便産生了“封閉類時曲線”（Closed Timelike Curves），簡稱CTC，即人們可以穿越回過去的一個封閉圈。

　　霍金和其他物理學家並不認可封閉類時曲線，原因在於，如果任何肉眼可見的物體可以穿越CTC，勢必會造成因果關係破裂的悖論。然而，物理學家戴維·多伊奇（David Deutsch）于1991年提出的一個模型認為，在量子尺度上我們可以因為基本粒子的行為避免CTC造成的悖論，這些悖論遵循的只是模糊概率規則，並不是嚴謹的決定論。昆士蘭大學的物理學家提姆·拉爾夫（Tim Ralph）説，“有趣的是，人們用廣義相對論預測CTC導致的悖論，一旦從量子力學的角度考慮時，這些悖論就消失不見了”。他還説，“這會讓人疑惑，構建一種可以統一廣義相對論和量子力學的理論究竟重要與否”。

　　“聽起來很奇怪”的曲線試驗

　　最近，拉爾夫和他的博士生馬丁·瑞巴爾（Martin Rinbauer）帶領的團隊第一次模擬了多伊奇的CTC模型，測試並驗證這個歷經20年的舊理論的諸多方面。其發現結果發佈在《自然通訊》（Nature Communications）雜誌上。

　　他們的多數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産生該粒子的粒子發射機器的開關。如果該粒子成功按下開關，機器會發射出一個粒子，也就是按下開關的粒子，而這個粒子就會通過CTC回到過去；反之，如果開關沒有被按下，機器便什麼也不發射。

　　在這一設想方案中，沒有人能夠事先知道該機器是否一定能發射出粒子，只知道其發射概率。多伊奇的見解在於假設量子範疇內的自怡性，並堅持認為任何進入CTC一端的粒子必然會出現在CTC的另一端，而且性質不變。因此粒子發射機器能夠發射粒子的幾率是50%，而該粒子進入CTC，再從CTC另一端出來，打開粒子發射器開關的幾率也是50%。如果換做是人，那麼她能否殺死自己祖父的幾率各佔一半，假設他祖父有可能從她手裏逃脫——那麼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。

　　在拉爾夫、瑞巴爾和同事進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。他們認為這一體系可以精確地等同於穿越CTC的單光子（single photon）。

　　瑞巴爾説：“我們對光子的偏振作用進行了編碼，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行電子相互作用後，通過多重實驗測量第二個光子的偏振狀態，拉爾夫團隊成功演示了多伊奇自我一致性的可行性。“位於CTC模擬出口的光子狀態和我們放入CTC入口的光子狀態是一樣的。”拉爾夫説。“當然，我們並沒有把什麼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中不可行的怪異進化論。”

　　實際用途：破解量子密碼

　　瑞巴爾説，CTC可以讓“怪異的進化論”成為可能，而且這些進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，破解量子密碼。他還説，“如果可以克隆量子態，就可以打破海森堡不確定原理（Heisenberg uncertainty principle），”這在量子密碼學中遲早會派上用場，因為這一原理不允許同時對成對變數進行精確測量，比如位置和動量，“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，從而破解加密資訊。”

　　南加利福尼亞大學的物理學家托德·布朗（Todd Brun）説道，“正是由於CTC的存在，量子力學可以使人們從事非常複雜的資訊處理工作，這些工作比我們認為的傳統甚至是普通的量子電腦所能做的工作還要複雜得多。”不過，他沒有參與拉爾夫團隊的實驗。他還説，“如果多伊奇的模型是正確的，那麼這一實驗就如實模擬了在真正的CTC條件下發生的事情。但實驗本身並不能證明多伊奇模型，唯一的檢測標準就是進入真正的封閉類時曲線”。

　　破解“祖父悖論”的各種嘗試

　　不過，多伊奇模型並不是破解“祖父悖論”的唯一辦法。麻省理工學院的理論家賽斯·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（quantum teleportation）和一種稱之為事後選擇（post-selection）的技術，而不是多伊奇量子範疇內的自我一致性。

　　2011年，勞埃德和其加拿大合作者模擬實驗成功。“多伊奇的理論有一種破壞關聯性的奇怪影響，”勞埃德説道。“換言之，即一個出現在多伊奇式CTC的時間旅行者進入一個宇宙，而這個宇宙和她之前所在的那個宇宙卻毫不相關。相比之下，後選擇式CTC沒有破壞關聯性，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在特有的時空領域中遠比電腦的資訊處理功能強大，但勞埃德這一模型的屬性減弱了CTC對資訊處理的影響力。勞埃德説，“CTC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，一台電腦能夠首先解決大海為什麼會存在的問題”。

　　儘管如此，勞埃德卻欣然承認CTC還僅僅是一種推測。他説，“我不知道哪個模型真正有效。或許以上兩個模型都是錯的。”他還補充到，另一種可能性自然就是霍金的説法是正確的，“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。

　　稿件來源：《環球科學》（科學美國人中文版）

　　撰文：李·比靈斯（Lee Billings）

　　翻譯：易小又 審校：黃安娜