澳洲科学家完成时间旅行模拟，解决祖父悖论

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2009年6月28号，世界闻名的物理学家史蒂芬霍金在剑桥举办了一场趴体，香槟美酒应有尽有。霍金邀请了每一个人却无人出席。对此，霍金并不意外，因为他在趴体结束后才寄出邀请函。他说，那是“对未来时间旅行者的邀请函”。这是霍金对自己1992年对时间旅行的不可能性的推测的验证。

然而，霍金有可能错了。最近的实验证实了时间旅行的可行性，至少在数学上是可行的。该研究直接颠覆我们对宇宙的理解，让时间旅行从科幻小说变成理论可行，对基础物理，和量子计算等科学有着重大意义。

封闭类时曲线

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对于时间旅行的争论是因为我们的物理理论中不允许时间旅行。在爱因斯坦的广义相对论中，引力被描述为被能量与物质弯曲的时空。最极端的引力场，如旋转黑洞的引力场，理论上能够弯曲现实，造成时空折回。这样便形成了一个“封闭类时曲线(CTC：closed timelike curve)”，一个能够穿越时空回到过去的回环。

霍金与其他许多物理学家们发现，封闭类时曲线很是可恶，因为任何宏观物体通过封闭类时曲线都会造成悖论，使其崩塌。1991年，理论学家David Deutsch提出，量子尺度下的不确定性原理能够避免造成封闭类时曲线悖论。“这很是有趣，在宏观下会形成悖论，而在量子尺度下，悖论就消失不见了。”昆士兰大学物理学家Tim Ralph如是说。“这会让你去想，是否需要创造一个理论，将广义相对论与量子力学统一起来”

曲线实验

最近，Ralph和他的博士生Martin Ringbauer领导的团队第一次模拟了Deutsch的封闭类时曲线模型，测试并验证了这个20年的旧理论的诸多方面。他们的发现被发表在《自然通讯》上。他们的模拟实验多数围绕着如何解决“祖父悖论”这一问题。“祖父悖论”描述的是，一个人通过封闭时间曲线回到过去，并杀死自己的祖父，阻止了自己的出生。

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祖父悖论

Deutsch对祖父悖论的量子解决方案是这么个原理：

试想，不让人类穿越时空回到过去杀死祖先，而让一个基本粒子穿越时空回到过去，按下产生粒子机器上的开关。如果粒子能够按下开关，那么机器便能发射这个粒子，并让它回到过去；如果粒子不能按下开关，那么机器便无法发射粒子。在这个情形下，没有人能够确切的知道粒子的发射与否，只能知道其概率。Deutsch这一理论的基本原则是将自我一致性放入量子范畴，认定任何进入闭合曲线的粒子必须有让曲线闭合的可能性。因此，回到过去的粒子有一定几率会按下开关，产生自己，使曲线闭合。如果回到过去的是人，那么也必须有可能杀死祖父，有可能杀不死祖父，让曲线有闭合的可能性，从而逃出悖论。奇特是吧，这就是量子力学。

在Ralph，Ringbauer和同事对Deutsch模型的模拟研究中，他们利用了量子对的量子纠缠效应。量子纠缠是宇宙的基本部分，它在时空上同时起效果，所以改变粒子今天的状态也会立即改变相同粒子未来的状态。“我们先同步两个粒子的计划状态，这样当进入曲线的粒子改变状态时，第二个粒子也会改变状态”，Ringbauer这么说。这相当于创造了两个相同的人，一个回到过去，一个留在现在，检测回到过去的人是否会改变现在的人的状态。“当然，我们并没有把任何东西送到过去，只是通过模拟，研究经典量子力学中不允许的东西。”Ralph还说：“这个实验并不能验证Deutsch的模型，除非能够通过真正的封闭类时曲线。”

其它理论

Deutsch的模型并不是唯一的。2009年，麻省理工理论学家Seth Lloyd提出了另一个理论，用量子传送和一种名为“选择后”(post-selection)机制解决祖父悖论。2011年，Lloyd与加拿大的同事们成功完成了模型模拟。“Deutsch的理论摧毁了关联性。在他的理论中，时间旅行者在封闭类时曲线中对未来没有任何影响。而我的理论则保存了关联性，时空旅行者能回到过去，那么他就记得过去。”

Lloyd的模型让CTC在信息处理上显得不那么牛逼，不过仍然要高出现今计算机在时空上的表现。“CTC能够帮助处理的问题大致类似于干草垛里找针”，Lloyd说，“不过Deutsch模型下的CTC只能告诉我们为什么会有个干草垛。”

不过，Lloyd承认关于CTC的一切都是猜测。他说：“没有人知道哪种模型是对的。甚至可能都是错的。”当然，他又补充道，也许霍金是对的，根本不会存在时间旅行。

本文译自 scientificamerican，由 K7419 编辑发布。