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新2代理网址(www.22223388.com):《开端》会在现实中发生吗?聊聊时间循环的物理学原理

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本文来自微信公众号:少数派(ID:sspaime),作者:影转细枫,责编:张奕源Nick,头图来自:《开端》


前段时间,在朋友圈各路大神的强烈安利之下,我入坑了《开端》。不得不说,华语影视剧领域已经很久没有出现过这种带有科幻元素而又逻辑通畅的剧集了。在《开端》中,男女主角搭上了一辆载有一颗炸弹的 45 路公交车。一旦他们因为爆炸或是睡着而失去意识,便会发生时间倒流,他们也会重新回到还未爆炸的公交车上。主角团需要在这一次又一次的循环中,找到解救全车乘客的方法。这种无限时间循环的题材在以往国外的科幻剧作中并不少见,比较出名的例子有《源代码》《忌日快乐》等。


然而,《开端》仍然以新颖的剧情设计、严谨精致的细节与伏笔而广受好评。无论是在原著小说还是影视剧中,作者都没有提及时间循环发生的技术原理。因此,本文将尝试补全这一物理背景。我们将根据物理学家马尔达西那(Juan Martin Maldacena, 1968–)与萨斯坎德(Leonard Susskind, 1940–)于 2013 年发表的 ER = EPR 原理,阐述如何构造一台可能可以实现时光回溯的时间机器。


我们的基本逻辑是这样的:首先,在两个不同时刻制造处于量子纠缠状态的基本粒子;然后通过 ER = EPR 原理将这些纠缠粒子转化为连接这两个不同时刻的虫洞。这样,两位主角就可以在满足触发条件时,通过虫洞返回到炸弹还未爆炸时的公交车上。这种逻辑设定可以合理地解释为何会发生时间循环,以及为何循环不会提前到炸弹上车之前、为何肖的身体状态会越来越差等一系列原作者挖了却又填不上的坑。不过在此之前,我们需要先了解一下虫洞、量子纠缠、ER = EPR 等基础概念。


黑洞、白洞、虫洞


如果你关注科幻,那么我相信你一定不会对黑洞(black hole)这个概念感到陌生。在 2014 年上映的《星际穿越》中,科学顾问基普·索恩(Kip Thorne, 1940–)及其团队利用数值相对论的计算为我们还原了一个相当真实的天文学黑洞。黑洞完全是引力的直接产物。通常物质中基本粒子之间的电磁相互作用要远大于引力相互作用。


然而,如果有极大量的物质聚集在一起,它们之间的产生的引力便有可能克服粒子间的电磁斥力,从而使这些物质不断地向中心坍缩,形成越来越致密的星体。随着越来越多的物质被吸入,星体能产生的引力也越来越大,从而进一步导致更多的物质被吸入。这种正反馈作用一旦开启便无法逆转。星体产生的引力越来越大,直到某一时刻,连光也无法从星体的表面逃离。我们的时空中便因此而产生了一个几乎完全不发光的区域,也就是黑洞。我们唯一能看见的,只有在黑洞外围不断绕着它旋转的一层光环(吸积盘)


图 1   天文学黑洞及周围吸积盘的计算机渲染图(Source: NASA)


黑洞在许多人眼里几乎已经成为了神秘的代名词。然而实际上,1915 年,在爱因斯坦(Albert Einstein, 1879–1955)发表他的广义相对论仅仅几个月后,史瓦西(Karl Schwarzschild, 1873–1916)便找到了爱因斯坦引力场方程的一个解,即史瓦西解。而史瓦西解的中心就是一个最简单的黑洞。


1960 年,克鲁斯卡尔(Martin Kruskal, 1925–2006)将史瓦西解进行了拓展,构造了所谓的克鲁斯卡尔延拓,大概是图 2 那个样子。图 2 中右侧用罗马数字 I 标记出来的菱形区域是黑洞以外的宇宙,而上方用罗马数字 II 标记的倒三角区域便是一个黑洞。除此之外,克鲁斯卡尔延拓还包含了两个镜像的区域:区域 III 是一个镜像的宇宙,而区域 IV 便是黑洞的镜像,我们称之为白洞(while hole)。白洞的性质和黑洞刚好相反:黑洞把物质吸进去,而白洞则立即把它们吐出来。


图 2   克鲁斯卡尔延拓的彭罗斯图(Source: 作者的课程作业)


这个黑洞和白洞的组合就很有意思了。试想,如果我们能把黑洞放在一个位置,再把白洞放在一个距离很远的地方,那么我们只要往黑洞里扔一个东西进去,这个东西就会从白洞里跑出来。这样,我们岂不是完成了一次瞬间转移?是的,其实早在 1916 年,弗莱姆(Ludwig Flamm, 1885–1964)就提出了这种用黑洞和白洞构成虫洞(wormhole)


20 世纪 30 年代,爱因斯坦与其合作者罗森(Nathan Rosen, 1909–1995)详细地研究了利用虫洞做瞬间转移或时间旅行的可能性。因此,虫洞也被称为爱因斯坦-罗森桥(Einstein-Rosen bridge)。可惜,当时人们认为,黑洞表面的引力过于强大,以至于任何物体都很难无伤通过。这一想法也就此搁置。


1963 年,数学家克尔(Roy Patrick Kerr, 1934–)发现,如果黑洞可以旋转,那么其表面某些区域可能就不会有过于离谱的引力,这意味着我们其实是有机会通过这些引力较弱的区域进入黑洞的。在《星际穿越》中,男主角在接近结尾时,尝试进入黑洞获取量子数据,也是利用了这一原理。这一新发现也使得利用虫洞进行瞬间转移或时间旅行成为物理学上的一种可能性。《开端》中的两位主角,也完全有机会利用类似的原理,穿越虫洞,回到还未发生爆炸的公交车上。


那么问题来了,我们应该如何去制造一个虫洞呢?


规范/引力对偶


1900 年 4 月 27 日,开尔文(William Thomson, 1st Baron Kelvin, 1824–1907)在英国皇家物理学会上发表了著名的“两朵乌云”论,一朵有关于光的以太理论,另一朵则是黑体辐射问题。戏剧化的是,这两朵乌云最终演变成为了近代物理学史上最具颠覆性的两大突破——相对论与量子力学。这一轶闻也因此为各路科普作者所津津乐道。


然而,许多人也许不了解的是,这两大突破性理论互相之间是严重矛盾的。自从它们的诞生之日起,调和它们二者之间矛盾的努力从未停歇。然而,无论是量子理论的经典诠释,还是引力的各种量子化方案均未能给出令人满意的结果。直到现在,我们仍未能够成功地解决它们之间的各种冲突。因此,广义相对论(经典引力理论)与量子力学的矛盾也逐渐成为了现代理论物理学界最为棘手的问题之一。


然而就在世纪之交,事情突然有了意想不到的变化。1997 年,物理学家马尔达西那(Juan Martin Maldacena, 1968–)提交了一篇论文,阐述了一种被称为 AdS/CFT 对偶的物理机制。他发现,一种特殊背景下的经典引力理论(AdS)与另一种特殊的量子规范理论(CFT)居然给出了高度相似的结果。


这也就意味着,对于某种特殊的物理系统,我们既可以用一种经典引力理论来描述,也可以用一种量子规范理论来描述。是的,物理学家努力了快一个世纪,尝试调和广义相对论和量子力学,结果最终发现,它们其实可能就是同一种现象的两种不同的描述方式、同一枚硬币的两面而已。


这一发现几乎瞬间引爆了高能物理学界。在接下来的二十几年里,物理学家逐渐建立起了这种对偶更为普适的形式:规范/引力对偶。具体来说,就是如果一个现象可以被一种经典引力理论所描述,那么它也很可能可以被某种量子理论所描述,反之亦然。这也就意味着,曾经在引力领域的一些难以解决的问题,我们也许可以把它转移到量子的领域,尝试利用量子技术来解决。这其中就包括虫洞的制造方法。


ER=EPR


虫洞是广义相对论的产物。然而,广义相对论并没有告诉我们虫洞是如何产生的。于是,物理学家想到了利用规范/引力对偶将这一问题转移到量子的角度去分析。2013 年,物理学家马尔达西那与合作者萨斯坎德(Leonard Susskind, 1940–)发表了一篇论文。他们发现,与虫洞相对应的量子现象正是我们早已为之困扰了很久的量子纠缠(quantum entanglement)


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量子纠缠可以说是量子世界里最为神秘的概念之一,它允许距离很远的两个粒子产生关联,且这种关联还不受光速这种信息传递速度的限制。量子纠缠是一个高度复杂而又微妙的现象。为了不跑题,我们用一个例子来带大家快速入门一下量子纠缠的基本信息。


假设我们有两个电子 A 和 B。我们可以让它们处于相距很远的位置,远到哪怕是光都要花上好一会儿才能从 A 到 B。电子有一种自身的属性叫自旋(spin)。自旋可以有向上(spin-up)和向下(spin-down)两种选择。


如果 A 和 B 处于最大量子纠缠状态,那么我们将看到一种神奇的现象:单独测量 A 或者 B 的自旋方向,它们都有 50% 的可能处于向上,也有 50% 可能处于向下;然而,每当 A 处于向上时,B 就处于向下;同样,每当 A 向下,B 就向上,无一例外,就好像它们“早就说好了”一样。然而,又有设计精巧的实验证明,它们其实并没有“早就说好”。一切都是在测量的那一瞬间决定的。那么现在问题来了,B 是如何知道我们测量了 A,又是如何获得 A 的测量结果的呢?


图 3   ER = EPR


很长一段时间以来,我们对此毫无头绪。然而,规范/引力对偶告诉我们,B 很可能是通过一个藏在 A、B 身后的虫洞来维系和 A 的关联。这个虫洞就像是 A、B 之间的一条“捷径”,使得它们无需通过其它物理过程来施加对彼此的“影响”。


这一结论被称为 ER = EPR。其中,ER 指的就是爱因斯坦-罗森桥(Einstein-Rosen bridge),而 EPR 则是爱因斯坦(Einstein)、波多尔斯基(Podolsky)、罗森(Rosen)三人姓氏的缩写;他们于 1935 年在论文中首次提出量子纠缠的概念,从而 EPR 也成为了量子纠缠的代称。


ER = EPR 原理告诉我们,如果我们想要制造一个虫洞,那么我们只需要制造量子纠缠。而制造量子纠缠则恰恰是当前量子物理学界的拿手好活——在各种量子通讯手段中,制造量子纠缠都是重要的一步。事实上,我国在此类技术上甚至早已走在世界前列(从这个角度讲,《开端》作为国产剧还真是相当应景)


超时空传送?


让我们来整理一下,既然制造量子纠缠就能产生虫洞,而我们又早已掌握了制造量子纠缠的技术,那岂不是说我们已经可以制造虫洞了吗?


确实是这样的。事实上,我们已经可以做到对少量的粒子进行超时空传送。只是量子物理学界并没有把它理解为通过虫洞来进行传送,而是给它赋予了一个全新的名字:量子隐形传态(quantum teleportation)。甚至,央视新闻也早已为此做过专门的报道:


图 4   央视新闻关于量子隐形传态的报道


不过,这种技术可能和很多人想象中的“穿越虫洞”不太一样。这一过程中,并没有任何物质真正地被“传送”。实际传送的只是物质的状态而已。也就是说,如果将来我们用这种技术制造可以把“你”从北京传送到上海的机器,那么这台机器的实际运行原理是,把在北京的这个“你”打散为基本粒子,获得构成“你”的基本粒子的所有信息,然后通过量子纠缠关联到上海的一堆基本粒子上,从而把在上海的这堆基本粒子重新构造成一个“你”。由于传送前后构成“你”的所有基本粒子的状态是一致的,因而从物理角度讲,这两个“你”其实是同一个“你”。


我希望你没被我绕晕了。


时间机器与时间循环


所以,如果我们想要制造一个如《开端》中描述的时间循环,我们只需要通过量子纠缠,设置一个虫洞。这样,两位主角就可以在满足触发条件(例如爆炸、睡着等)的情况下,通过这个虫洞回到公交车上。目前的量子隐形传态只能够在两个不同的空间点之间实现超时空传送。那么是否可以在两个不同的时间点之间进行传送呢?我们目前还不知道,至少暂时还没有这样的技术出现。所以,我们也只能做一步科幻式的设想:假设我们可以在两个不同的时间点之间构造量子纠缠,那么我们就可以在这两个时间点之间构造虫洞,从而实现“时间机器”的功能。


但是,这种时间机器是有功能上的限制的。比如,相对于现在的 [过去] 并不存在任何纠缠粒子。所以你无法通过这种时间机器回到它还没有被创造出来的时刻。你能做的只是在制造出时间机器后,在某个 [将来] 的时刻放置纠缠粒子,然后在 [更远的将来] 回到 [将来] 这个时间点。所以,从这个角度上讲,这种时间机器与其说是在做时间旅行,不如说是在“放置还原点”,就像你给数据做备份一样。


图 5   一种可能的时间机器的运行时间线


另外,纠缠粒子是会被消耗的。这是由量子隐形传态的原理所作出的合理推测。也就是说,这种还原点一般是一次性的。也就是说,如果某个时刻你放置的纠缠粒子只够进行一次传送,那么传送完成,这一还原点也就消失了。


所以,如果要制造时间循环,从技术推测上讲,你只需要在某一时刻放置许多还原点。这样,在将来的某个时刻触发还原条件,就可以还原到还原时刻。由于还原点会被消耗,循环最终也会在纠缠粒子被消耗殆尽后结束。你在最后一次循环前所经历的所有循环,在量子理论的观点中,都是发生在某个“平行时空”中的;对于其他人而言,只有最后一次循环真实地发生了。


所以,根据这样的原理,《开端》剧中所涉及时间循环的最合理解释是:有一个掌握了时间机器技术的神秘人,在炸弹上车后就开始大量设置还原点,使得主角团可以不断地回到公交车上,寻找阻止炸弹爆炸的方法。而这个神秘人也许并没有来得及在炸弹上车之前就设置好还原点,这也就使得主角团无法回到更早的时间点去阻止炸弹上车。


另外,我们也可以顺带解释一下为什么肖的身体会越来越差。很可能这种循环一开始只是为李而设置的。当肖也进入循环了以后,每次循环消耗的纠缠粒子就增多了。这种时候,传送的保真度(fidelity)也会因此而下降,从而导致肖在循环后期并不能够做到比较完美的还原。


原文链接:https://sspai.com/post/71157?utm_source=wechat&utm_medium=social


本文来自微信公众号:少数派(ID:sspaime),作者:影转细枫,责编:张奕源Nick

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    2022-02-23 00:02:05 

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