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編者按：本文涉及電視劇《開始》重大劇透，請謹慎閱讀。
前言
最近，在朋友圈各位大師的大力支持下，我進入了《開始》。 不得不說，中國影視劇領域已經很久沒有出現這樣一部具有科幻元素、邏輯流暢的劇集了。 在《開始》中，男女主角攜帶炸彈登上了45路公交車。 一旦他們因爆炸而失去知覺或睡著，時間就會倒流，他們將回到尚未爆炸的巴士上。 主角團需要在一次又一次的循環中找到辦法營救車內的所有乘客。 這種無限時間循環的題材在以往的國外科幻劇中并不少見。 比較著名的例子有《源代碼》、《忌日快樂》等，但《開始》仍以其新穎的情節設計、嚴謹精致的細節和伏筆而廣受好評。 無論是原著小說還是影視劇中，作者都??沒有提及時間循環的技術原理。 因此，本文將嘗試完善這一物理背景。 基于物理學家Juan (Juan, 1968–)和 (, 1940–)于2013年發表的ER = EPR原理，我們將解釋如何建造一臺可能能夠時光倒流的時間機器。
我們的基本邏輯是這樣的：首先，在兩個不同時刻創建處于量子糾纏態的基本粒子； 然后通過ER=EPR原理將這些糾纏粒子轉化為連接兩個不同時刻的蟲洞。 這樣，在滿足觸發條件的情況下，兩位主角就可以在炸彈尚未爆炸的情況下，通過蟲洞回到公交車上。 這個邏輯設定可以合理地解釋為什么會出現時間循環、為什么循環在炸彈上車前不推進、為什么肖的身體狀況越來越差，以及原作者挖出來卻查不到的一系列其他事情填.坑. 但在此之前，我們需要了解蟲洞、量子糾纏、ER = EPR等基本概念。
黑洞、白洞、蟲洞
如果你關注科幻小說，那么相信你對黑洞這個概念一定不會陌生。 在2014年上映的《星際穿越》中，科學顧問基普·索恩（Kip ，1940-）和他的團隊利用數值相對論計算，為我們還原了一個相當真實的天文黑洞。 黑洞完全是引力的直接產物。 通常物質中基本粒子之間的電磁相互作用遠大于引力相互作用。 然而，如果非常大量的物質聚集在一起，它們之間產生的引力可能會克服粒子之間的電磁斥力，導致物質不斷向中心塌陷，形成越來越致密的恒星。 隨著越來越多的物質被吸入，恒星產生的引力也越來越強，進一步導致更多的物質被吸入。這種正反饋效應一旦開始，就無法逆轉。 恒星產生的引力越來越強，直到某一點，連光都無法從恒星表面逃逸。 這在我們的時空中創造了一個幾乎完全不發光的區域，這就是黑洞。 我們唯一能看到的是圍繞黑洞不斷旋轉的一層光（吸積盤）。
圖1 天文黑洞及其周圍吸積盤的計算機渲染（：NASA）
黑洞在很多人眼里幾乎成了神秘的代名詞。 然而事實上，在1915年，就在愛因斯坦（，1879-1955）發表廣義相對論幾個月后，史瓦西（Karl，1873-1916）就找到了愛因斯坦引力場方程的解，這就是史瓦西解。 史瓦西解的中心是最簡單的黑洞。
1960年，克魯斯卡爾（，1925-2006）擴展了史瓦西解，構造了所謂的克魯斯卡爾延拓，大致如圖2所示。圖2右側羅馬數字I標記的菱形區域就是外面的宇宙。黑洞，而上面標有羅馬數字II的倒三角形區域就是黑洞。 此外，克魯斯卡爾的延續還包含兩個鏡像區域：區域III是宇宙的鏡像，區域IV是黑洞的鏡像，我們稱之為白洞（While Hole）。 白洞的性質與黑洞完全相反：黑洞吸入物質，而白洞立即將物質吐出。
圖2 延拓的彭羅斯圖（：作者的課程作業）
黑洞和白洞的這種組合非常有趣。 試想一下，如果我們可以把黑洞放在一個地方，把白洞放在很遠的地方，那么我們只要往黑洞里扔一個物體，這個物體就會從白洞里跑出來。 這樣一來，我們不是就完成了即時轉賬了嗎？ 是的，事實上，早在1916年，Flamm（1885-1964）就提出利用黑洞和白洞形成蟲洞（）。 20 世紀 30 年代，愛因斯坦和他的合作者羅森（1909-1995）詳細研究了利用蟲洞進行即時傳輸或時間旅行的可能性。 因此，蟲洞也被稱為愛因斯坦-羅森橋（-Rosen）。 不幸的是，當時人們認為黑洞表面的引力太強，任何物體都無法毫發無傷地通過。 這個想法被擱置了。
1963年，數學家羅伊·克爾（Roy Kerr，1934年至今）發現，如果黑洞可以旋轉，那么其表面的某些區域可能不會有如此離譜的引力，這意味著我們實際上有機會利用這些引力來制造更多的黑洞。強大的物體。 薄弱區域進入黑洞。 《星際穿越》接近尾聲時，男主試圖進入黑洞獲取量子數據，也用到了這個原理。 這一新發現也使得利用蟲洞進行隱形傳輸或時間旅行成為可能。 《開始》中的兩位主角也有機會利用類似的原理穿越蟲洞，回到尚未發生爆炸的巴士上。
那么問題來了，我們該如何創造蟲洞呢？
規范/引力二元性
1900年4月27日，開爾文（第一代男爵，1824-1907）在英國皇家物理學會發表了著名的“兩朵烏云”理論，一朵是光的以太理論，另一朵是黑體輻射理論。 問題。 戲劇性的是，這兩朵烏云最終演化成了現代物理學史上最具顛覆性的兩大突破——相對論和量子力學。 這則軼事也被各路科普作家津津樂道。 然而，很多人可能不理解的是，這兩種開創性的理論彼此嚴重矛盾。 自他們誕生以來，調和他們之間矛盾的努力就從未停止過。 然而，無論是量子理論的經典解釋還是引力的各種量子化方案都沒有給出令人滿意的結果。 到目前為止，我們還未能成功解決他們之間的各種矛盾。 因此，廣義相對論（經典引力論）與量子力學之間的矛盾逐漸成為現代理論物理中最棘手的問題之一。
然而，世紀之交，事情卻突然發生了意想不到的轉變。 1997年，物理學家Juan （Juan，1968-）提交了一篇論文，描述了一種稱為AdS/CFT二元性的物理機制。 他發現特殊背景下的經典引力理論（AdS）和另一種特殊的量子規范理論（CFT）實際上給出了高度相似的結果。 這意味著對于一個特殊的物理系統，我們既可以用經典引力理論來描述，也可以用量子規范理論來描述。 是的物理資源網，物理學家近一個世紀以來一直在努力協調廣義相對論和量子力學，最終發現它們實際上可能是描述同一現象的兩種不同方式，是同一枚硬幣的兩面。
這一發現幾乎瞬間引爆了高能物理界。 在接下來的二十年里，物理學家逐漸建立了這種二元性的更普遍形式：規范/引力二元性。 具體來說，如果一種現象可以用經典引力理論來描述，那么它很可能可以用量子理論來描述，反之亦然。 這也意味著我們或許可以將一些曾經在引力領域難以解決的問題轉移到量子領域，嘗試用量子技術來解決。 這包括如何創建蟲洞。
ER=EPR
蟲洞是廣義相對論的產物。 然而，廣義相對論并沒有告訴我們蟲洞是如何產生的。 因此，物理學家想到利用規范/引力二象性將這個問題轉移到量子的角度來分析。 2013 年，物理學家 和合作者 （1940-）發表了一篇論文。 他們發現，蟲洞對應的量子現象正是困擾我們已久的量子糾纏（ ）。
量子糾纏可以說是量子世界中最神秘的概念之一。 它允許兩個粒子在很遠的距離上連接，并且這種連接不受光速等信息傳輸速度的限制。 量子糾纏是一種高度復雜和微妙的現象。 為了不離題，我們通過一個例子來快速介紹一下量子糾纏的基本信息。
假設我們有兩個電子 A 和 B。我們可以將它們放置得很遠，甚至光也需要一段時間才能從 A 到達 B。電子有一個稱為自旋的屬性。 自旋有兩種選擇：向上自旋和向下自旋。 如果A和B處于最大量子糾纏態，那么我們會看到一個神奇的現象：分別測量A或B的自旋方向，它們都有50%的可能性向上，50%的可能性向下； 然而，每當 A 上升時，B 就會下降； 同樣，每當A倒下時，B就會無一例外地上升，就好像他們“已經同意了”一樣。 然而，有一些精心設計的實驗證明它們實際上并不是“承諾的”。 一切都在測量的那一刻決定。 那么現在問題來了，B怎么知道我們測量了A，它又如何得到A的測量結果呢？
圖3 ER=EPR
很長一段時間，我們都毫無頭緒。 然而規范/引力二象性告訴我們，B很可能通過隱藏在A和B背后的蟲洞來維持與A的關系。這個蟲洞就像A和B之間的一條“捷徑”，讓他們不需要“影響” “通過其他物理過程彼此。 這個結論稱為ER=EPR。 其中，ER指愛因斯坦-羅森橋（-Rosen），EPR是愛因斯坦（）、波多爾斯基（）、羅森（Rosen）姓氏的縮寫； 他們在1935年的論文中首次提出了量子糾纏的概念，EPR也成為了量子糾纏的名稱。
ER = EPR原理告訴我們，如果我們想創造一個蟲洞，那么我們只需要創造量子糾纏。 創建量子糾纏恰恰是當前量子物理界的專長——創建量子糾纏是各種量子通信方法的重要一步。 事實上，我國在這一類技術上甚至已經走在了世界前列（從這個角度來說，《開始》作為一部國產劇確實是相當合適的）。
穿越時空的傳送？
我們來整理一下吧。 既然創造量子糾纏可以創造蟲洞，而且我們已經掌握了創造量子糾纏的技術，那是不是意味著我們已經可以創造蟲洞了呢？
確實如此。 事實上，我們已經可以通過時間和空間傳送少量粒子。 只是量子物理界并沒有把它理解為通過蟲洞的傳輸，而是給它起了一個全新的名字：量子隱形傳態（ ）。 就連央視新聞也對此做了專題報道：
圖4 央視新聞對量子隱形傳態的報道
不過物理學家 穿越，這項技術或許與很多人想象中的“蟲洞旅行”不太一樣。 在這個過程中，物質實際上都被“運輸”了。 實際傳遞的只是物質的狀態。 也就是說，如果我們未來利用這項技術打造一臺能夠將“你”從北京運送到上海的機器，那么這臺機器的實際工作原理就是將北京的“你”打散成基本粒子，然后將“你”從北京運送到上海。獲得組成“你”的基本粒子的所有信息，然后通過量子糾纏與上海的一束基本粒子相關聯，從而將上海的一束基本粒子重構為一個“你”。 由于構成“你”的所有基本粒子的狀態在傳輸前后都是相同的，所以從物理角度來看，兩個“你”實際上是同一個“你”。
我希望你沒有被我沖昏頭腦。
時間機器和時間循環
所以，如果我們想創造一個像《開始》中描述的那樣的時間循環，我們只需要通過量子糾纏建立一個蟲洞。 這樣，如果滿足觸發條件（比如爆炸、睡著等），兩位主角就可以通過這個蟲洞回到公交車上。 目前的量子隱形傳態只能實現空間中兩個不同點之間的時間和空間傳輸。 那么是否有可能在兩個不同的時間點之間傳送呢？ 我們還不知道，至少現在還不知道。 因此，我們只能做出一個科幻式的想法：假設我們可以在兩個不同的時間點之間構建量子糾纏，那么我們就可以在這兩個時間點之間構建一個蟲洞，從而實現“時間機器”的功能。
然而，這臺時間機器有功能限制。 例如，過去相對于現在不存在糾纏粒子。 所以你無法使用這個時間機器回到它被創建之前的時間。 你能做的就是創造一臺時間機器，在【未來】的某個時間放置糾纏粒子，然后在【更遠的未來】回到這個【未來】的時間點。 所以，從這個角度來看，這個時間機器與其說是在做時間旅行，不如說是在“放置還原點”，就像你備份數據一樣。
圖5 一個可能的時間機器運行時間線
此外，糾纏粒子也會被消耗。 這是基于量子隱形傳態原理的合理推測。 也就是說，這種還原點一般都是一次性使用的。 也就是說，如果你在某一時刻放置的糾纏粒子只夠一次傳輸物理學家 穿越，那么傳輸完成，這個恢復點就消失了。
所以，如果你想創建一個時間循環，從技術上來說，你只需要在某個時間放置許多恢復點即可。 這樣，當將來某個時刻觸發恢復條件時，就可以恢復到恢復時刻。 由于還原點會被消耗，因此當糾纏粒子被消耗時，循環最終會結束。 你在上一個周期之前所經歷的所有周期，從量子理論的角度來看，都發生在某個“平行時空”中； 對于其他人來說，只有最后一個周期真正發生了。
因此，基于這個原理，對于《開端》所涉及的時間循環，最合理的解釋是：有一個掌握了時間機器技術的神秘人。 炸彈上車后，他開始設置大量的還原點，以便主角團能夠繼續返回巴士，并找到阻止炸彈爆炸的方法。 而這個神秘人可能還沒有來得及在炸彈上車之前設置還原點，這使得主角團無法回到更早的時間點來阻止炸彈上車。
另外，我們也可以解釋為什么肖的健康狀況越來越差。 很可能這個循環一開始就是為李設置的。 當小野進入循環后，每個循環消耗的糾纏粒子數量就會增加。 此時傳輸保真度（）也會因此而降低，導致Xiao無法在周期后期實現更完美的恢復。
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