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編者按：本文涉及電視劇《開始》重大劇透，請謹(jǐn)慎閱讀。
前言
最近，在朋友圈各位大師的大力支持下，我進(jìn)入了《開始》。 不得不說，中國影視劇領(lǐng)域已經(jīng)很久沒有出現(xiàn)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(tuán)需要在一次又一次的循環(huán)中找到辦法營救車內(nèi)的所有乘客。 這種無限時間循環(huán)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(jié)設(shè)計、嚴(yán)謹(jǐn)精致的細(xì)節(jié)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(huán)的技術(shù)原理。 因此，本文將嘗試完善這一物理背景。 基于物理學(xué)家Juan (Juan, 1968–)和 (, 1940–)于2013年發(fā)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(jī)器。
我們的基本邏輯是這樣的：首先，在兩個不同時刻創(chuàng)建處于量子糾纏態(tài)的基本粒子； 然后通過ER=EPR原理將這些糾纏粒子轉(zhuǎn)化為連接兩個不同時刻的蟲洞。 這樣，在滿足觸發(fā)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(shè)定可以合理地解釋為什么會出現(xiàn)時間循環(huán)、為什么循環(huán)在炸彈上車前不推進(jìn)、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(guān)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(xué)顧問基普·索恩（Kip ，1940-）和他的團(tuán)隊利用數(shù)值相對論計算，為我們還原了一個相當(dāng)真實的天文黑洞。 黑洞完全是引力的直接產(chǎn)物。 通常物質(zhì)中基本粒子之間的電磁相互作用遠(yuǎn)大于引力相互作用。 然而，如果非常大量的物質(zhì)聚集在一起，它們之間產(chǎn)生的引力可能會克服粒子之間的電磁斥力，導(dǎo)致物質(zhì)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(zhì)被吸入，恒星產(chǎn)生的引力也越來越強(qiáng)，進(jìn)一步導(dǎo)致更多的物質(zhì)被吸入。這種正反饋效應(yīng)一旦開始，就無法逆轉(zhuǎn)。 恒星產(chǎn)生的引力越來越強(qiáng)，直到某一點(diǎn)，連光都無法從恒星表面逃逸。 這在我們的時空中創(chuàng)造了一個幾乎完全不發(fā)光的區(qū)域，這就是黑洞。 我們唯一能看到的是圍繞黑洞不斷旋轉(zhuǎn)的一層光（吸積盤）。
圖1 天文黑洞及其周圍吸積盤的計算機(jī)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(fā)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(kuò)展了史瓦西解，構(gòu)造了所謂的克魯斯卡爾延拓，大致如圖2所示。圖2右側(cè)羅馬數(shù)字I標(biāo)記的菱形區(qū)域就是外面的宇宙。黑洞，而上面標(biāo)有羅馬數(shù)字II的倒三角形區(qū)域就是黑洞。 此外，克魯斯卡爾的延續(xù)還包含兩個鏡像區(qū)域：區(qū)域III是宇宙的鏡像，區(qū)域IV是黑洞的鏡像，我們稱之為白洞（While Hole）。 白洞的性質(zhì)與黑洞完全相反：黑洞吸入物質(zhì)，而白洞立即將物質(zhì)吐出。
圖2 延拓的彭羅斯圖（：作者的課程作業(yè)）
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(yuǎn)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(zhuǎn)賬了嗎？ 是的，事實上，早在1916年，F(xiàn)lamm（1885-1964）就提出利用黑洞和白洞形成蟲洞（）。 20 世紀(jì) 30 年代，愛因斯坦和他的合作者羅森（1909-1995）詳細(xì)研究了利用蟲洞進(jìn)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(dāng)時人們認(rèn)為黑洞表面的引力太強(qiáng)，任何物體都無法毫發(fā)無傷地通過。 這個想法被擱置了。
1963年，數(shù)學(xué)家羅伊·克爾（Roy Kerr，1934年至今）發(fā)現(xiàn)，如果黑洞可以旋轉(zhuǎn)，那么其表面的某些區(qū)域可能不會有如此離譜的引力，這意味著我們實際上有機(jī)會利用這些引力來制造更多的黑洞。強(qiáng)大的物體。 薄弱區(qū)域進(jìn)入黑洞。 《星際穿越》接近尾聲時，男主試圖進(jìn)入黑洞獲取量子數(shù)據(jù)，也用到了這個原理。 這一新發(fā)現(xiàn)也使得利用蟲洞進(jìn)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(jī)會利用類似的原理穿越蟲洞，回到尚未發(fā)生爆炸的巴士上。
那么問題來了，我們該如何創(chuàng)造蟲洞呢？
規(guī)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(xué)會發(fā)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(xiàn)代物理學(xué)史上最具顛覆性的兩大突破——相對論和量子力學(xué)。 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(chuàng)性的理論彼此嚴(yán)重矛盾。 自他們誕生以來，調(diào)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(jīng)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(jié)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(jīng)典引力論）與量子力學(xué)之間的矛盾逐漸成為現(xiàn)代理論物理中最棘手的問題之一。
然而，世紀(jì)之交，事情卻突然發(fā)生了意想不到的轉(zhuǎn)變。 1997年，物理學(xué)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(jī)制。 他發(fā)現(xiàn)特殊背景下的經(jīng)典引力理論（AdS）和另一種特殊的量子規(guī)范理論（CFT）實際上給出了高度相似的結(jié)果。 這意味著對于一個特殊的物理系統(tǒng)，我們既可以用經(jīng)典引力理論來描述，也可以用量子規(guī)范理論來描述。 是的物理資源網(wǎng)，物理學(xué)家近一個世紀(jì)以來一直在努力協(xié)調(diào)廣義相對論和量子力學(xué)，最終發(fā)現(xiàn)它們實際上可能是描述同一現(xiàn)象的兩種不同方式，是同一枚硬幣的兩面。
這一發(fā)現(xiàn)幾乎瞬間引爆了高能物理界。 在接下來的二十年里，物理學(xué)家逐漸建立了這種二元性的更普遍形式：規(guī)范/引力二元性。 具體來說，如果一種現(xiàn)象可以用經(jīng)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(jīng)在引力領(lǐng)域難以解決的問題轉(zhuǎn)移到量子領(lǐng)域，嘗試用量子技術(shù)來解決。 這包括如何創(chuàng)建蟲洞。
ER=EPR
蟲洞是廣義相對論的產(chǎn)物。 然而，廣義相對論并沒有告訴我們蟲洞是如何產(chǎn)生的。 因此，物理學(xué)家想到利用規(guī)范/引力二象性將這個問題轉(zhuǎn)移到量子的角度來分析。 2013 年，物理學(xué)家 和合作者 （1940-）發(fā)表了一篇論文。 他們發(fā)現(xiàn)，蟲洞對應(yīng)的量子現(xiàn)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(yuǎn)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(fù)雜和微妙的現(xiàn)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(shè)我們有兩個電子 A 和 B。我們可以將它們放置得很遠(yuǎn)，甚至光也需要一段時間才能從 A 到達(dá) 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(tài)，那么我們會看到一個神奇的現(xiàn)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(dāng) A 上升時，B 就會下降； 同樣，每當(dāng)A倒下時，B就會無一例外地上升，就好像他們“已經(jīng)同意了”一樣。 然而，有一些精心設(shè)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(xiàn)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(jié)果呢？
圖3 ER=EPR
很長一段時間，我們都毫無頭緒。 然而規(guī)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(guān)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(jié)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(chuàng)造一個蟲洞，那么我們只需要創(chuàng)造量子糾纏。 創(chuàng)建量子糾纏恰恰是當(dāng)前量子物理界的專長——創(chuàng)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(shù)上甚至已經(jīng)走在了世界前列（從這個角度來說，《開始》作為一部國產(chǎn)劇確實是相當(dāng)合適的）。
穿越時空的傳送？
我們來整理一下吧。 既然創(chuàng)造量子糾纏可以創(chuàng)造蟲洞，而且我們已經(jīng)掌握了創(chuàng)造量子糾纏的技術(shù)，那是不是意味著我們已經(jīng)可以創(chuàng)造蟲洞了呢？
確實如此。 事實上，我們已經(jīng)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(tài)（ ）。 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(tài)的報道
不過物理學(xué)家 穿越，這項技術(shù)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(zhì)實際上都被“運(yùn)輸”了。 實際傳遞的只是物質(zhì)的狀態(tài)。 也就是說，如果我們未來利用這項技術(shù)打造一臺能夠?qū)ⅰ澳恪睆谋本┻\(yùn)送到上海的機(jī)器，那么這臺機(jī)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(yùn)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(guān)聯(lián)，從而將上海的一束基本粒子重構(gòu)為一個“你”。 由于構(gòu)成“你”的所有基本粒子的狀態(tài)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(jī)器和時間循環(huán)
所以，如果我們想創(chuàng)造一個像《開始》中描述的那樣的時間循環(huán)，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(fā)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(tài)只能實現(xiàn)空間中兩個不同點(diǎn)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(diǎn)之間傳送呢？ 我們還不知道，至少現(xiàn)在還不知道。 因此，我們只能做出一個科幻式的想法：假設(shè)我們可以在兩個不同的時間點(diǎn)之間構(gòu)建量子糾纏，那么我們就可以在這兩個時間點(diǎn)之間構(gòu)建一個蟲洞，從而實現(xiàn)“時間機(jī)器”的功能。
然而，這臺時間機(jī)器有功能限制。 例如，過去相對于現(xiàn)在不存在糾纏粒子。 所以你無法使用這個時間機(jī)器回到它被創(chuàng)建之前的時間。 你能做的就是創(chuàng)造一臺時間機(jī)器，在【未來】的某個時間放置糾纏粒子，然后在【更遠(yuǎn)的未來】回到這個【未來】的時間點(diǎn)。 所以，從這個角度來看，這個時間機(jī)器與其說是在做時間旅行，不如說是在“放置還原點(diǎn)”，就像你備份數(shù)據(jù)一樣。
圖5 一個可能的時間機(jī)器運(yùn)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(tài)原理的合理推測。 也就是說，這種還原點(diǎn)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(xué)家 穿越，那么傳輸完成，這個恢復(fù)點(diǎn)就消失了。
所以，如果你想創(chuàng)建一個時間循環(huán)，從技術(shù)上來說，你只需要在某個時間放置許多恢復(fù)點(diǎn)即可。 這樣，當(dāng)將來某個時刻觸發(fā)恢復(fù)條件時，就可以恢復(fù)到恢復(fù)時刻。 由于還原點(diǎn)會被消耗，因此當(dāng)糾纏粒子被消耗時，循環(huán)最終會結(jié)束。 你在上一個周期之前所經(jīng)歷的所有周期，從量子理論的角度來看，都發(fā)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(fā)生了。
因此，基于這個原理，對于《開端》所涉及的時間循環(huán)，最合理的解釋是：有一個掌握了時間機(jī)器技術(shù)的神秘人。 炸彈上車后，他開始設(shè)置大量的還原點(diǎn)，以便主角團(tuán)能夠繼續(xù)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(shè)置還原點(diǎn)，這使得主角團(tuán)無法回到更早的時間點(diǎn)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(huán)一開始就是為李設(shè)置的。 當(dāng)小野進(jìn)入循環(huán)后，每個循環(huán)消耗的糾纏粒子數(shù)量就會增加。 此時傳輸保真度（）也會因此而降低，導(dǎo)致Xiao無法在周期后期實現(xiàn)更完美的恢復(fù)。
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