2009年6月28日，世界著名物理学家斯蒂芬·霍金在剑桥大学举办了一个派对，现场有气球、开胃小菜和冰镇香槟。每个人都被邀请了，但没有人出现。霍金对此早有预料，因为他只在派对结束后才发出邀请。他说，这是“对未来时间旅行者的欢迎招待会”，这是一个半开玩笑的实验，旨在加强他1992年的猜想，即穿越到过去实际上是不可能的。
但霍金可能站在了历史的错误一边。最近的实验为时间旅行的可行性提供了初步支持——至少从数学角度来看是这样。这项研究触及了我们对宇宙理解的核心，而解决时间旅行的可能性，远非只是科幻小说的主题，将对基础物理学以及量子密码学和计算等实际应用产生深远的影响。
闭合类时曲线
时间旅行猜测的根源在于，我们最好的物理理论似乎没有禁止穿越时间倒流。根据爱因斯坦的广义相对论，这一壮举应该是可能的，广义相对论将引力描述为能量和物质对时空的扭曲。一个极强的引力场，例如旋转黑洞产生的引力场，原则上可以深刻地扭曲存在的结构，使时空自身弯曲。这将创造一条“闭合类时曲线”，或称CTC，一个可以穿越以回到过去的环路。
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霍金和许多其他物理学家认为 CTC 是令人厌恶的，因为任何宏观物体通过 CTC 旅行都不可避免地会造成因果关系崩溃的悖论。然而，在理论家大卫·多伊奇在 1991 年提出的一个模型中，由于基本粒子的行为，CTC 造成的悖论可以在量子尺度上避免，因为基本粒子只遵循模糊的概率规则，而不是严格的决定论。“有趣的是，广义相对论预测了这些悖论，但当你从量子力学的角度考虑它们时，悖论就消失了，”昆士兰大学物理学家蒂姆·拉尔夫说。“这让你想知道这对于制定统一广义相对论和量子力学的理论是否重要。”
用曲线进行实验
最近，拉尔夫和他的博士生马丁·林鲍尔领导一个团队首次实验性地模拟了多伊奇的 CTC 模型，测试并证实了这个有二十年历史的理论的许多方面。他们的研究结果发表在自然通讯上。他们的模拟大部分围绕着研究多伊奇的模型如何处理“祖父悖论”，这是一个假设的场景，其中有人使用 CTC 回到过去谋杀了她自己的祖父，从而阻止了她自己的出生。（大众科学是自然出版集团的一部分。）
多伊奇对祖父悖论的量子解决方案大致是这样的：
与其想象一个人穿越 CTC 去杀死她的祖先，不如想象一个基本粒子回到过去，去拨动创造它的粒子生成机器上的开关。如果粒子拨动开关，机器就会发射出一个粒子——那个粒子——回到 CTC 中；如果开关没有被拨动，机器就不会发射任何东西。在这种情况下，粒子的发射没有先验的确定性，只有概率分布。多伊奇的洞察力是在量子领域假设自洽性，坚持任何进入 CTC 一端的粒子都必须以相同的属性从另一端出现。因此，机器以二分之一的概率发射出的粒子将进入 CTC，并以二分之一的概率从另一端出来拨动开关，从而使自身在诞生时就具有二分之一的概率回到过去拨动开关。如果粒子是一个人，她出生时就有二分之一的概率杀死她的祖父，从而使她的祖父有二分之一的概率在她手中逃脱死亡——在概率方面足以闭合因果循环并逃脱悖论。尽管这可能很奇怪，但这个解决方案符合已知的量子力学定律。
在他们的新模拟中，拉尔夫、林鲍尔和他们的同事使用量子系统中成对的偏振光子之间的相互作用研究了多伊奇的模型，他们认为这个量子系统在数学上等同于单个光子穿越 CTC。“我们编码了它们的偏振，因此第二个光子充当了第一个光子的过去化身，”林鲍尔说。因此，他们没有将一个人送入时间循环，而是创建了一个人的特技替身，并让替身通过时间循环模拟器运行，以查看从 CTC 中出现的替身是否完全类似于过去那一刻的原始人。
通过测量第二个光子与第一个光子相互作用后的偏振态，在多次试验中，该团队成功地证明了多伊奇的自洽性在起作用。“我们在输出端获得的状态，即模拟 CTC 出口的第二个光子，与我们在输入端获得的状态相同，即 CTC 入口的第一个编码光子，”拉尔夫说。“当然，我们并没有真正将任何东西送回过去，但[模拟]允许我们研究量子力学中通常不允许的奇怪演化。”
林鲍尔指出，CTC 实现的那些“奇怪的演化”将具有非凡的实际应用，例如通过克隆基本粒子的量子态来破解基于量子的密码学。“如果你可以克隆量子态，”他说，“你就可以违反海森堡不确定性原理”，这在量子密码学中非常有用，因为该原理禁止同时精确测量某些类型的配对变量，例如位置和动量。“但是如果你克隆那个系统，你就可以测量第一个系统中的一个量和第二个系统中的另一个量，从而允许你解密编码的消息。”
“在 CTC 存在的情况下，量子力学允许人们执行非常强大的信息处理任务，远远超过我们认为经典计算机甚至普通量子计算机可以做到的，”南加州大学的物理学家托德·布伦说，他没有参与该团队的实验。“如果多伊奇模型是正确的，那么这个实验忠实地模拟了使用实际 CTC 可以完成的事情。但是这个实验不能测试多伊奇模型本身；那只能通过访问实际的 CTC 来完成。”
另一种推理
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不那么激进的 CTC 模型，该模型使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来解决祖父悖论。劳埃德与加拿大合作者一起，在 2011 年成功地进行了他的模型的实验室模拟。“多伊奇的理论有一种破坏相关性的奇怪效果，”劳埃德说。“也就是说，从多伊奇 CTC 中出现的时间旅行者进入的宇宙与她在未来退出的宇宙无关。相比之下，后选择的 CTC 保留了相关性，因此时间旅行者返回到她在过去记忆中的同一个宇宙。”
劳埃德模型的这一特性将使 CTC 在信息处理方面的能力大大降低，尽管仍然远远优于计算机在典型时空区域可以实现的能力。“我们的 CTC 可以帮助解决的问题类别大致相当于在干草堆中寻找针，”劳埃德说。“但是，多伊奇 CTC 中的计算机可以解决干草堆最初为什么存在的问题。”
然而，劳埃德很容易承认 CTC 的推测性质。“我不知道哪个模型真正正确。可能它们都是错误的，”他说。当然，他补充说，另一种可能性是霍金是正确的，“CTC 根本不存在，也不可能存在。” 时间旅行派对策划者应该把香槟留给自己——他们所希望的未来客人似乎不太可能到来。
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时间旅行的量子物理学 （仅限全访问订阅者）
作者：大卫·多伊奇和迈克尔·洛克伍德