在量子力学这个神奇的领域里，时间和空间的规则和我们日常生活中的体验很不一样。虽然在宏观世界里，时间旅行还只是科幻小说里的概念，但在量子尺度上，粒子的行为却好像能够穿越时间一样。从量子纠缠到量子叠加，这些现象挑战了我们对因果关系的常规理解，暗示在非常小的尺度上，时间可能并不是我们认为的那样直线前进和不可逆转。
如果我们能在量子世界里控制时间，让粒子像时空旅行者一样，带着信息回到过去，那会是多么激动人心的事情啊！让我们一起揭开量子世界里时间旅行的神秘面纱，探索那些可能彻底改变我们对宇宙看法的惊人发现。
时间旅行的理论基础
在物理学中，时间循环更恰当的名称是“封闭类时曲线”（CTC），最早出现在爱因斯坦的广义相对论中，该理论认为时空可以弯曲。理论上，如果能让时空足够弯曲，它就会自我闭合，从而形成通往过去的路。唯一的问题是，要产生如此大幅度的时空弯曲，需要质量极大的物体以非常快的速度旋转。现实中，可能只有黑洞能满足条件——而这显然不是我们在实验室里能造出来的。
在量子力学中，时间通常被看作是一个均匀流动的背景，就像一个钟表一样，不断向前滴答作响，不会倒退。在这个框架下，因果关系是明确有序的，即因总是发生在果之前。这听起来似乎完全排除了量子时间循环的可能性，毕竟在这个理论下时间是线性的、顺序的、不可逆的。但是，一种日益流行的量子力学观点以不同的方式看待时间，这种方式被称为“逆因果性”。
量子力学的先驱之一薛定谔也有个类似的思想实验，它描述了一个猫在封闭盒子里，其生死取决于一个原子核衰变的概率事件。在这个实验中，猫既是活着的也是死去的，直到我们打开盒子观察，才会确定其最终状态。
“逆因果性”将纠缠视为一种跨越时间的连接。当两个粒子发生纠缠时，即使相距数十光年，它们也会表现出同一个量子态。在这种解释中，当你测量一个纠缠的粒子时，一个信号被发送回它纠缠的时间，并随着另一个粒子一起前进，从而消除了在广阔距离上传递瞬时信息的需要，标准的因果性被舍弃了。
量子时间循环的实验探索
利用量子纠缠，科学家们已经在粒子尺度上实现了时间循环。在量子力学领域，已有突破性的实验表明，我们可以在这个领域中构建数学上等效的时间循环，这就是量子封闭类时曲线（简称量子CTC）。例如，通过量子纠缠，科学家们已经能够在实验中将粒子或粒子所携带的信息传递到过去。
时间旅行的悖论与解决
时间旅行似乎有悖逻辑，存在很多悖论，其中问题最大的是一致性悖论。其中著名的悖论：“祖父悖论”。该悖论假设一名时空旅行者回到过去杀死了自己的祖父，从而也否定了自身的存在；“先知悖论”某人到达未来，得知将发生不幸结果A。他回到现实做出了避免导致结果的行动，发生结果B。那么结果A在未来根本没有发生，他就不可能得知结果A（即A与B不可能相遇的悖论），所以一个人不可能向未来穿越，因为未来还没有发生。
然而，理论物理学家诺维科夫提出了自洽性猜想，该猜想认为，你可以穿越到过去，但你无法改变过去。此外，如果我们允许多个平行时间线的存在，那我们就可以解决这个悖论。
量子时间旅行的技术应用
量子时间旅行的探索不仅有助于我们理解时间的本质，还可能带来技术革新。在量子计算领域，利用量子CTC可以提高量子处理器的效率。此外，量子时间旅行的原理也可以应用于信息隐藏硬件和量子信息器件测试中，通过将初始状态转换为强纠缠态来隐藏信息。
未来展望
尽管人类亲自踏上穿越时空旅程的愿景仍未照进现实，但量子领域的深入研究已为我们勾勒出在微观层次上实现时间旅行的蓝图。未来，随着理论与技术的双重演进，量子时间旅行或将引领我们进入一个前所未有的认知境界，彻底重塑人类对时间、空间乃至整个宇宙的认知。
图片来源 | 中科院物理所，科普君
参考资料 | 文汇报，清华西方哲学研究，中科院物理所
编者 | 王志裕、王立志
排版 | 杜鎧臣
