《科学美国人》:时间旅行模拟解析“祖父悖论”

译者: 三岛 | 发布: | 发布时间:2014-10-2,星期四 | 阅读:1,157
原文:Time Travel Simulation Resolves “Grandfather Paradox” | Scientific American
原作者:Lee Billings

Entering a closed timelike curve tomorrow means you could end up at today.
Credit: Dmitry Schidlovsky

2009年6月28日,世界著名物理学家斯蒂芬·霍金(举行一个宴会)(http://arstechnica.com/science/2012/07/steven-hawking-on-time-travel-m -theory-and-extra-terrestrial-life /)在剑桥大学,有气球,开胃点心和冰香槟。每个人都被邀请但没有人出席。和霍金预料的一样,因为他是在他的宴会结束后才发出的邀请。他说,这是“给未来时间旅行者的一个欢迎酒会,”这个半开玩笑的实验来强化他1992年的猜想,旅行到过去实际上是不可能的。

但从长远来看,霍金可能是错了。最近的实验提供初步支持时间旅行的可能性,至少从数学的角度来看。该研究触及我们对宇宙理解的核心,以及解决时间旅行的可能性,远非一个仅仅值得科幻小说才有的话题,而是对基础物理学以及量子密码学和量子计算等实际应用有着深远的意义。

封闭的类时曲线
时间旅行的推测来源基于这样一个事实,我们最好的物理理论似乎包含(没有逆向旅行的禁令)(http://www.scientificamerican.com/article/according-to-current- phy /)穿越时间。这个功劳应该归功于爱因斯坦的广义相对论,它描述了引力的时空能量和物质的变形。如由一个旋转黑洞产生的极其强大的引力场,原则上可以极度扭曲物质构造,使时空本身弯曲。这将创建一个“封闭的类时曲线”,或称CTC,这样穿越到过去的时间循环旅行成为可能。

霍金和其他许多物理学家发现CTC的可恶之处,因为任何一个肉眼可见的物体穿越另一个物体,必然会产生矛盾,因果关系被打破。理论家大卫·多伊奇1991年提出这个模型,不管怎样,因为基本粒子的行为,CTC在量子尺度下产生的矛盾就可以避免,仅仅遵循概率的模糊规则,而不是严格的决定论。“这是耐人寻味的,你已经知道了广义相对论预测了这些矛盾,另一方面你认为它们在量子力学上不存在这些矛盾,”昆士兰大学物理学家蒂姆·拉夫说。“联系起广义相对论与量子力学,让你怀疑在制定一个理论方面这是否是重要的,”

试验曲线
最近拉尔夫和他的博士生马丁带领一个团队,第一次在实验中模拟多伊奇的模型,测试和确认这个已经二十多年的理论的方方面面。他们的[研究成果]( http://www.nature.com/ncomms/2014/140619/ncomms5145/f ULL / ncomms5145.html )发表在《自然传播》。大部分模拟都是围绕研究多伊奇的模型怎样处理“祖父悖论”,即某人通过一次CTC旅行穿越时空回到过去这样一个假想场景谋杀了自己的祖父,从而阻止自己以后的出生。(《科学美国人》是自然出版集团”的一部分。)

多伊奇[量子的解决方案](http://www.scientificamerican.com/article/the- quantum-physics-of-time-travel /)的祖父悖论的原理是这样的:

代替一个人穿越CTC杀死她的祖先,想象一个基本粒子可以时光倒流触动一个发电机产生的粒子开关。如果粒子触动开关,机器发射一个粒子,粒子返回进入CTC;如果开关没有被触动,机器什么也发不出来。在这种假设下没有一个先验肯定确定粒子的发射只是一个概率分布。多伊奇的洞察力是量子领域的自洽性假设,坚信任何粒子进入CTC的一端,必然以相同的属性出现在另一端。因此,一个由机器发射的粒子,有一半的概率将进入CTC并从另一端出来,一半的概率进入翻转开关,自身在产生时就有一半的概率返回到翻转开关。如果粒子是一个人,杀死她的祖父,她将有一半的概率出生,给她的祖父一半的概率逃脱死在她手里的可能,在概率方面足够关闭因果循环,摆脱悖论。尽管这可能有点奇怪,但这个解决方案符合已知的量子力学定律。

在他们新的模型里,拉尔夫、多伊奇及其同事们研究了多伊奇模型在量子系统成对的极化光子之间的相互作用,他们认为在数学上相当于单个光子穿越CTC。“我们对它们的极化进行编码,使第二个充当某种第一个过去的化身,“多伊奇说。所以通过一次循环不是发送一个人,他们创造了一个人的替身,把他发送到时间循环模拟器,看看是否从CTC出现分身,完全像最初的那个人,因为他此刻还在过去。

通过测量第二个光子的极化状态与所述第一个光子相互作用后,经过多次试验,研究团队终于成功地证明了多伊奇的自洽性行为。“我们了解了我们的输出状态,第二个光子在模拟CTC的出口处,象我们输入一样,第一个编码光子在CTC入口处,”拉尔夫说。“当然,我们并没有真的发送任何东西让时光倒流,但(模拟)允许我们研究奇怪的变阵,这通常在量子力学中是不允许的。”

这些“怪异变阵”由CTC产生,多伊奇指出,这将有显著的实际应用,比如通过克隆基本粒子的量子态来破坏量子基础加密。“如果你能克隆量子态,”他说,“你可以违反海森堡测不准原理,”这对量子密码很有用,因为原则上禁止同时精确测量某些类型的配对变量,比如位置和动量。“但是,如果你克隆该系统,你可以先测量一个量,然后再测量第二个量,让你解密一个编码信息。 ”

“CTC的存在,量子力学允许执行非常强大的信息处理任务,远远超过我们以前的观念,甚至一般的量子计算机也做不到,”托德·布朗说,他是南加州大学的物理学家,没有参与到团队的实验。“如果多伊奇模型是正确的,那么这个实验忠实地模拟实际的CTC所做的事情。但是这个实验不能测试多伊奇模型本身,只能使用实际的CTC来完成。”

另一种的推理

然而,多伊奇的模型并不是唯一的一个。2009年,麻省理工学院的理论家塞思·劳埃德(提出了另一种模型)(http://www.santafe.edu/news/item/lecture-lloyd-time-travel-announce/),不那么激进的CTC模式,用量子隐形传态和一种称为后选择的技术,而不是多伊奇的量子自洽性,解决了祖父悖论的问题。与加拿大的合作者一起,2011年劳埃德继续对他的模型进行了成功的实验室模拟。“多伊奇的理论有一个奇怪的相关性破坏效应,”劳埃德说。”也就是说,时间旅行者从多伊奇的CTC出来进入宇宙,与她在未来的退出无关。相比之下,后选择CTC保持了相关性,这样时间旅行者回到她记忆中的同一个宇宙。”劳埃德模型的这个属性,将使CTC的信息处理能力更强大,尽管仍远远超过电脑在时空中的典型区域的可能实现。“问题类似于我们的CTC可以帮助解决大致相当于在干草堆里找到针,”劳埃德说。“但多伊奇CTC计算机可以解决为什么干草堆首先存在。”

不过,劳埃德爽快地承认CTC的投机性质。“我不知道哪种模式确实是正确的。也许它们都错了,“他说。当然,他补充说,另一个可能性是,霍金是正确的,“CTC根本就没有,也不可能存在。”时间旅行派对策划者应把香槟酒留给自己,因为他们希望的未来的客人似乎不太可能到达。



 

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