2009年6月28日，世界著名物理學家斯蒂芬·霍金在劍橋大學舉辦了一個派對，現場有氣球、開胃小菜和冰鎮香檳。每個人都被邀請了，但沒有人出現。霍金對此早有預料，因為他只在派對結束後才發出邀請。他說，這是“對未來時間旅行者的歡迎招待會”，這是一個半開玩笑的實驗，旨在加強他1992年的猜想，即穿越到過去實際上是不可能的。
但霍金可能站在了歷史的錯誤一邊。最近的實驗為時間旅行的可行性提供了初步支援——至少從數學角度來看是這樣。這項研究觸及了我們對宇宙理解的核心，而解決時間旅行的可能性，遠非只是科幻小說的主題，將對基礎物理學以及量子密碼學和計算等實際應用產生深遠的影響。
閉合類時曲線
時間旅行猜測的根源在於，我們最好的物理理論似乎沒有禁止穿越時間倒流。根據愛因斯坦的廣義相對論，這一壯舉應該是可能的，廣義相對論將引力描述為能量和物質對時空的扭曲。一個極強的引力場，例如旋轉黑洞產生的引力場，原則上可以深刻地扭曲存在的結構，使時空自身彎曲。這將創造一條“閉合類時曲線”，或稱CTC，一個可以穿越以回到過去的環路。
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霍金和許多其他物理學家認為 CTC 是令人厭惡的，因為任何宏觀物體透過 CTC 旅行都不可避免地會造成因果關係崩潰的悖論。然而，在理論家大衛·多伊奇在 1991 年提出的一個模型中，由於基本粒子的行為，CTC 造成的悖論可以在量子尺度上避免，因為基本粒子只遵循模糊的機率規則，而不是嚴格的決定論。“有趣的是，廣義相對論預測了這些悖論，但當你從量子力學的角度考慮它們時，悖論就消失了，”昆士蘭大學物理學家蒂姆·拉爾夫說。“這讓你想知道這對於制定統一廣義相對論和量子力學的理論是否重要。”
用曲線進行實驗
最近，拉爾夫和他的博士生馬丁·林鮑爾領導一個團隊首次實驗性地模擬了多伊奇的 CTC 模型，測試並證實了這個有二十年曆史的理論的許多方面。他們的研究結果發表在自然通訊上。他們的模擬大部分圍繞著研究多伊奇的模型如何處理“祖父悖論”，這是一個假設的場景，其中有人使用 CTC 回到過去謀殺了她自己的祖父，從而阻止了她自己的出生。（大眾科學是自然出版集團的一部分。）
多伊奇對祖父悖論的量子解決方案大致是這樣的：
與其想象一個人穿越 CTC 去殺死她的祖先，不如想象一個基本粒子回到過去，去撥動創造它的粒子生成機器上的開關。如果粒子撥動開關，機器就會發射出一個粒子——那個粒子——回到 CTC 中；如果開關沒有被撥動，機器就不會發射任何東西。在這種情況下，粒子的發射沒有先驗的確定性，只有機率分佈。多伊奇的洞察力是在量子領域假設自洽性，堅持任何進入 CTC 一端的粒子都必須以相同的屬性從另一端出現。因此，機器以二分之一的機率發射出的粒子將進入 CTC，並以二分之一的機率從另一端出來撥動開關，從而使自身在誕生時就具有二分之一的機率回到過去撥動開關。如果粒子是一個人，她出生時就有二分之一的機率殺死她的祖父，從而使她的祖父有二分之一的機率在她手中逃脫死亡——在機率方面足以閉合因果迴圈並逃脫悖論。儘管這可能很奇怪，但這個解決方案符合已知的量子力學定律。
在他們的新模擬中，拉爾夫、林鮑爾和他們的同事使用量子系統中成對的偏振光子之間的相互作用研究了多伊奇的模型，他們認為這個量子系統在數學上等同於單個光子穿越 CTC。“我們編碼了它們的偏振，因此第二個光子充當了第一個光子的過去化身，”林鮑爾說。因此，他們沒有將一個人送入時間迴圈，而是建立了一個人的特技替身，並讓替身透過時間迴圈模擬器執行，以檢視從 CTC 中出現的替身是否完全類似於過去那一刻的原始人。
透過測量第二個光子與第一個光子相互作用後的偏振態，在多次試驗中，該團隊成功地證明了多伊奇的自洽性在起作用。“我們在輸出端獲得的狀態，即模擬 CTC 出口的第二個光子，與我們在輸入端獲得的狀態相同，即 CTC 入口的第一個編碼光子，”拉爾夫說。“當然，我們並沒有真正將任何東西送回過去，但[模擬]允許我們研究量子力學中通常不允許的奇怪演化。”
林鮑爾指出，CTC 實現的那些“奇怪的演化”將具有非凡的實際應用，例如透過克隆基本粒子的量子態來破解基於量子的密碼學。“如果你可以克隆量子態，”他說，“你就可以違反海森堡不確定性原理”，這在量子密碼學中非常有用，因為該原理禁止同時精確測量某些型別的配對變數，例如位置和動量。“但是如果你克隆那個系統，你就可以測量第一個系統中的一個量和第二個系統中的另一個量，從而允許你解密編碼的訊息。”
“在 CTC 存在的情況下，量子力學允許人們執行非常強大的資訊處理任務，遠遠超過我們認為經典計算機甚至普通量子計算機可以做到的，”南加州大學的物理學家託德·布倫說，他沒有參與該團隊的實驗。“如果多伊奇模型是正確的，那麼這個實驗忠實地模擬了使用實際 CTC 可以完成的事情。但是這個實驗不能測試多伊奇模型本身；那隻能透過訪問實際的 CTC 來完成。”
另一種推理
然而，多伊奇的模型並不是唯一的一個。2009 年，麻省理工學院的理論家塞思·勞埃德提出了另一種不那麼激進的 CTC 模型，該模型使用量子隱形傳態和一種稱為後選擇的技術，而不是多伊奇的量子自洽性來解決祖父悖論。勞埃德與加拿大合作者一起，在 2011 年成功地進行了他的模型的實驗室模擬。“多伊奇的理論有一種破壞相關性的奇怪效果，”勞埃德說。“也就是說，從多伊奇 CTC 中出現的時間旅行者進入的宇宙與她在未來退出的宇宙無關。相比之下，後選擇的 CTC 保留了相關性，因此時間旅行者返回到她在過去記憶中的同一個宇宙。”
勞埃德模型的這一特性將使 CTC 在資訊處理方面的能力大大降低，儘管仍然遠遠優於計算機在典型時空區域可以實現的能力。“我們的 CTC 可以幫助解決的問題類別大致相當於在乾草堆中尋找針，”勞埃德說。“但是，多伊奇 CTC 中的計算機可以解決乾草堆最初為什麼存在的問題。”
然而，勞埃德很容易承認 CTC 的推測性質。“我不知道哪個模型真正正確。可能它們都是錯誤的，”他說。當然，他補充說，另一種可能性是霍金是正確的，“CTC 根本不存在，也不可能存在。” 時間旅行派對策劃者應該把香檳留給自己——他們所希望的未來客人似乎不太可能到來。
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時間旅行的量子物理學 （僅限全訪問訂閱者）
作者：大衛·多伊奇和邁克爾·洛克伍德