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时间旅行,光子先行

时间:2018-06-29 08:05来源:中国国家天文
冰镇香槟、餐前甜点和彩色气球——物理学家史蒂芬·霍金精心准备了这场举办于剑桥大学的宴会。一切都很完美,除了受邀者无人出席。事实上,这个冷清的场面
   冰镇香槟、餐前甜点和彩色气球——物理学家史蒂芬·霍金精心准备了这场举办于剑桥大学的宴会。一切都很完美,除了受邀者无人出席。事实上,这个冷清的场面没有让霍金尴尬,因为所有的请帖,都是在宴会结束后发出的。

    这是霍金在2009年6月28日进行的一个实验。“为未来的时间旅行者举办的一次欢迎会。”这位大科学家严肃地说。他想用这个古怪的玩笑证明一件事——人类不可能回到过去。

    这还用证明吗?你或许会跳起来问,除非像日本卡通人物哆啦A梦一样,拥有时光机这个道具。

    卡通故事、科幻作品甚至是大科学家霍金都解释不了世界十大悖论之一,著名的“祖父悖论”:假设真有时光机,而你也真的穿越到了过去,却一不小心杀害了自己的祖父,你还会降生吗?

    最近,有人解开了这道难题。澳大利亚昆士兰大学的物理学家提姆·拉尔夫带领的团队,完成了模拟时光旅行,只不过,这次模拟回到过去的不是人,而是小小的光子。

    在量子物理学的尺度上,时间旅行是可以实现的

    在拉尔夫的“时光机”帮助下,回到过去的是两个光子。不过,这位澳大利亚科学家澄清,并没有把什么东西真正送回过去。他只是模拟了它们在时间中的旅行,观察研究它们的“一举一动”。

    听上去糊里糊涂?这要先从时间旅行的基本概念说起。这个看起来充满科幻色彩的名词,一直是物理学研究的“宠儿”。

    爱因斯坦的广义相对论,就是时间旅行的可靠支持者。简单来说,就是想办法把时间“掰弯”。首先要把时间想象成一条线,接着,要有一种足够强大的引力,大到能够导致时间和空间的弯曲。想象一下掰铁丝吧,当时间这根“铁丝”被拽成了一个封闭的圈,线的两头“过去”和“现在”就能够重合,或许,这端的你就能回到那端的过去了。这一概念叫做“封闭类时曲线”(CTC)。

    关于时间旅行的设想,始终让大批科学研究者和科幻作家着迷。早在1889年,美国作家马克·吐温就写过一本“穿越”小说《亚瑟王朝的康涅狄格美国佬》。

    最让人糟心的“穿越”故事莫过于罗伯特·海因莱恩的科幻小说《“你们这些回魂尸——”》。在这部小说里,男主人公坐着时间机器回到过去,和不同时期的自己相遇,发生了一系列狗血的故事——但最终,历史并没有因此改变。

    刚刚过去的几个月,热播韩剧《来自星星的你》先让外星人火了一把,又把这个外星人扔进了“时空旅行”中。

    在这部韩剧的结尾,整个亚洲的少女心都热切呼唤男女主角“在一起”,所以,编剧没有让都教授的生命消逝,而是让他进入“虫洞”。每隔一段时间,他就能与女主角相会一次。

    这也是宇宙学的重要概念,即时光隧道。如同万物都会出现小孔或裂缝,虫洞理论认为,时间也不是完美平滑、毫无缝隙的。时间的裂缝被称作“量子泡沫”,虫洞就存在于这些泡沫中。

    创作可以天马行空,科学却不行。即使是最大胆的研究者,也无法绕开“祖父悖论”。所以在模拟实验中,拉尔夫对两个光的粒子偏振作用进行了编码。就像照镜子一样,一个光子遇到的所有情况和因此产生的变化,都会投射到另一个光子上。也就是说,只要观察到其中一个,另一个直接“复制粘贴”就可以了。这也意味着,他对这两个光子的观察可以更加全面。

    在这个“模拟实验”中,光子被看作“人类”的替身。科学家不用把大活人送进时间的“封闭圈”,也无法把一个光子真正送进封闭类时曲线。

    他们所能做的,只能是模拟这样一个情境,并对可能产生的两种结果进行考察。第一种结果是“1号光子”会通过虫洞回到过去,并同以前的自己相互作用。第二种结果是“2号光子”会在正常的时空内行进,但会通过虫洞,同另一颗卡在封闭类时曲线内的光子相互作用。

    “这个实验现在还很难看到实际用途。”美国哈佛史密斯天体物理研究中心研究员苏萌不客气地指出了这一点。“将来发展下去。有可能对量子加密构成挑战。但现在来看,还没有办法定量地精确检验。”

    在量子态中,一个人能否回到过去并杀死自己的祖父,几率也只有一半

    事实上,有关粒子的时空旅行,早在多年前就有科学家提出理论。1991年,英国物理学家大卫·多伊奇设想了一个模型,让一个基本粒子回到过去,打开粒子发射机器的开关。如果这个粒子成功按下了开关,机器会发射出另一个粒子回到过去打开开关。如今,拉尔夫所做的就是将这一设想模拟出来。

    另一个著名模型是“薛定谔的猫”:一只猫被封在一个有毒药的密室里,毒药的开关由放射性原子控制,如果原子核衰变,则触动开关放出毒气,猫必死无疑。原子核的衰变是随机事件,正常情况下,猫或者死,或者活。但如果从量子物理学的角度来描述这只猫,只能说它处于一种活与不活的叠加态。

    “既死了又活着!”薛定谔这样形容这只猫。

    量子物理学就是这样一种听起来晦涩难懂的学科。传统的因果律悖论,到了量子力学面前,似乎分分钟就可以被搞定。在多伊奇设想的模型中,没有人能够事先知道,那台机器是否一定能发射出粒子,粒子被送进封闭类时曲线的几率只有一半。

    如果把粒子换成人,就意味着,在量子态中,一个人能否回到过去并杀死自己的祖父,几率也只有一半,穿越者和他的祖父,就像那只薛定谔的猫一样,既死了,又活着。

    在量子尺度上,基本粒子的量子特性,可以帮助人们避免封闭类时曲线造成的逻辑悖论,尽管这种避免的方式,听上去,比时间旅行本身还要难以理解。

    用中国科学技术大学物理学博士于野的话说,多伊奇理论中提出的模型,实际上是让时间旅行者进入了平行宇宙,“这个宇宙和之前所在的那个宇宙却毫不相关”。

    “可以是我们这个宇宙中的另一个地方,存在一个与我们记忆中的历史完全相同的地球,传到那里,等于实现了时间旅行,而又不会对这个地球有任何影响。”于野开了个玩笑,“这个可以作为穿越小说的理论基础。”

    作为量子物理学的先锋,多伊奇提出过许多奇特而难以理解的观点,超越了具体实例的限制。他坚定地拥护平行宇宙理论,“一个粒子在不同的世界中循着不同的轨道运行”。

    但实际上,包括爱因斯坦在内的许多物理学家,都无法接受量子理论,或许正是因为,量子力学颠覆了传统的因果,让时空逻辑显得更加捉摸不透。

    穿越回去的祖父杀手或许会发现,老爷子屡屡逃脱鬼门关

    除了多伊奇设想的模型,美国麻省理工学院物理学家赛斯·劳埃德也尝试过破解“祖父悖论”。

    2009年,劳埃德创造了一种“后选择封闭类时曲线”模型。在量子物理学的世界里,量子处于一种随机混沌状态,无须任何载体,这一秒还在这里,下一秒就有可能远在千里之外。这种量子态,某种程度上,可以被视为量子的超时空穿越。

    在劳埃德的设想中,穿越的量子需要被设定一些规则,比如“禁止一切可能在未来导致悖论产生的行为”。

    这意味着,如果按照这个模型,实现时间旅行之后,人们即使能够重返过去,也不可能改变历史。这个理论使时间旅行走出了“祖父悖论”的梦魇。

    “这种量子时间旅行可以视为一种倒转时空的量子隧道。即使没有从未来通往过去的传统路径,它也会发生。因为新理论建立在后选择基础上,在这里发生的任何事也可能会在普通的量子力学中发生。”劳埃德说。

    他举了个例子,穿越回去的祖父杀手或许会发现,老爷子在他孙子的阴谋中百杀不死,屡屡逃脱鬼门关。

    “最后一刻,一些小幅度的量子波动,就足以把飞来的子弹弹开。”比起多伊奇的模型,劳埃德的设想或许更容易理解。

    于野试着用物理学中能量守恒的原则,来解释这件事情:“我们日子本来过得好好的,就因为一个人穿越回去了,立即发生一系列改变,比如穿越者突然从现在这个时空消失了,这种突然消失就是能量不守恒。”

    苏萌也认为平行宇宙是有理论可能的。而且,现在的宇宙暴涨理论,“涉及的一个可能图景是人择原理的宇宙”,那也意味着,“一定会有我们看不到的其他宇宙的形态存在,但是很难说对我们这个宇宙的影响”。

    无论实验室中的光子如何跳跃,关于时间旅行的一切设想,目前都还只停留在理论阶段,尽管,它始终是基础物理学的研究热点,也是影视和文学中的创作潮流,但在具体的生活中,它似乎依旧遥不可及。

    劳埃德本人也承认,所有设想仅仅是推测:“我不知道哪个模型真正有效。或许……都是错的。”
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