为什么时间旅行仍然让物理学家感到兴奋
有关时间机器的话题听起来像是科幻小说，但这个问题却推动了20世纪和21世纪一些最深奥的物理学研究。广义相对论——爱因斯坦的几何引力理论——在数学上允许世界线自身闭合。如果这种回路存在，量子理论则会引发关于因果律和信息的难题。在过去的三十年里，研究人员已经从纯理论构建转向通过桌面实验来探究量子力学与时间之间的相互作用。其结果是，我们对物理学原则上允许什么、实际上禁止什么以及目前能够测试哪些实验有了更清晰的认识。
方程允许的情况：封闭类时曲线与奇异时空
在相对论术语中，“时间旅行”通常意味着存在封闭类时曲线（CTCs）：即返回到自身过去的世界线。爱因斯坦场方程的几个精确解都包含CTC。其中包括旋转宇宙解、某些理想化的旋转圆柱体，以及理论上可穿越的虫洞——其两个洞口的排列方式使得不同时钟在洞口读数不同。为超光速运动设计的度规——即所谓的曲率驱动——在许多构建中也与CTC相连。
这些解在数学上是自洽的，但伴随着严苛的物理限制。大多数解都违反了能量条件，而这些条件在日常情况下保证了局域能量密度的正值。要创建一个可穿越的虫洞或阿库别瑞式曲速泡，需要具有“负”能量密度的应力-能量形式——即以极端方式集中的奇异物质或量子真空效应。这些要求将相关构建推向了已知物理学变得不确定的领域。
可能保护因果律的物理学
许多物理学家认为，CTC在数学上的存在可能暗示我们遗漏了一个核心的动力学原理。一个有影响力的观点是，量子效应会对时空产生反作用，从而防止宏观因果律的违背：当一个潜在的时间机器形成时，真空涨落和能量会以某种方式积聚，从而使装置变得不稳定。这种直觉认为，支配物质和量子场的定律可能会共同防止悖论情景的形成——这一观点有时被总结为“时序保护”机制。
即使没有完整的量子引力理论，半经典分析也表明存在实际障碍：能量和工程需求看起来是天文数字，而且针对量子场的稳定性也令人怀疑。简而言之，虽然广义相对论在纸面上允许许多奇异几何结构，但微观物理学和能量成本可能阻碍了它们的实现。
量子转折：思考量子时间旅行的两种方式
当量子力学与CTC的概念相结合时，会出现令人惊讶的概念可能性。研究人员开发了两个广泛的框架来模拟量子系统在部分世界线时间回环时的行为。
这两幅图景在数学上是不同的，并导致了不同的物理和信息论后果。至关重要的是，这两种模型都不要求我们真正在时空中建造一台时间机器；它们既可以作为思想实验，在某些情况下也可以作为实验室模拟的处方。
计算、悖论与令人惊喜的回报
对CTC的研究为计算领域带来了意想不到的见解。如果类CTC行为可以作为一种物理资源，它将彻底改变计算能力：某些模型显示，利用时间循环资源可以让机器解决目前认为无法处理的问题。这一结果帮助研究人员探测了计算复杂度的边界，并加深了我们对物理定律对信息处理意义的理解。
在悖论方面，量子表述通常能避免经典矛盾。量子方案不要求单一的不一致历史，而是要求演化具有自洽的固定点，或者利用概率性后选择来消除产生悖论的分支。这些修复手段将悖论转化为了其他反直觉的特性——非线性、类克隆效应或允许的相关性改变。
实验室模拟：量子实验中的“时间旅行”
在这一领域，研究已经超越了纯粹的推测。量子光学和基于电路的实验可以利用纠缠、量子隐形传态和后选择来模拟假设时间循环的某些方面。最近的实验实现了基于隐形传态的时间循环协议模拟，并展示了实际优势：例如，它们展示了概率性的“将输入发回”技巧有时如何能提高计量学家从单个探针中提取的信息。这些结果并没有让时间机器变成现实，但它们表明受CTC启发的协议可以成为量子传感和测量中的有用工具。
与此同时，精密时钟的灵敏度已经达到了可以测量几厘米甚至几毫米范围内的相对论时间差的程度。光原子钟和原时干涉测量的提议使时间的量子和相对论描述进入了实验范围。这让实验室能够以受控的方式测试，不同引力势下的量子时钟演化是遵循经典的原本时间图像，还是会出现真正的量子时间特征。
旅行者实际会面临什么
即使在存在CTC的推测模型中，对物质和热力学的详细分析也暗示了令人不悦的约束。一些理论工作认为，通过自身过去循环的系统必须重置内部自由度，以便在循环结束时熵和记录的记忆恢复到初始状态。换句话说，沿着封闭类时曲线的航行可能会抹除旅行者的记忆并逆转熵增，使得时间旅行的主观体验比任何小说都要诡异。
那么时间旅行可能吗？
简短的回答：对人类来说没有任何有用的方式。长篇回答：引力和量子力学的基本方程仍然允许类似于向后时间旅行的路径和模型，但每条物理上合理的路径都会遇到限制——能量条件、量子不稳定性、普朗克尺度未知数或热力学奇特性。相反，实验正在做的事情对科学来说更有成效：它们正在探测量子理论与相对论交汇的边界，利用受时间旅行思想实验启发的想法来构建更好的传感器、测试量子因果律，并对我们的理论进行压力测试。
为什么这很重要
关于时间旅行的问题不仅仅是投机式的好奇。它们迫使物理学家去攻克量子理论、热力学和时空结构的交界面。这项工作推动了精密计时、量子信息以及关于因果律和信息概念清晰度的进步。即使来自未来的游客从未到来，由时间旅行谜题引发的研究也正在重塑我们测量和操纵时间本身的方式。
— Mattias Risberg, Dark Matter
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