如何在經典物理世界中上演穿越戲碼
在科幻作品中，時間旅行早就開始了。無論是回到昨天，還是走到宇宙的盡頭，常常只需按一個按鈕，biu地一下，人就穿越了時空。只要別一不留神殺了自己的祖父，整個旅程似乎並不太困難。
但在理論物理學家眼中，把一個人傳送到自己的時間線以外遠沒有那麼簡單。既要考慮「時序保護猜想」，又要小心變來變去的物理定律，還可能碰上行蹤詭異的「幽靈粒子」。回到未來，到底有沒有可能實現？
友情提示：這篇文章有非常足量的乾貨，請帶上你最奔放的想像力來閱讀。
回到未來？時間倒流？
作者｜LostAbaddon
時間旅行一直是眾多科幻母題中經久不衰的一個，許多經典電影都和這個題材相關，比如施瓦辛格的經典之作《終結者》四部（貝爾演的已經被判為非正傳的同人了，而且也沒時間旅行什麼事），以及瘋癲的布朗博士與屌絲氣的馬蒂的經典傳奇《回到未來》。
那麼，我們到底是否有可能回到未來呢？
閉合的時間曲線
從宏觀角度來說，這個問題的一個更加物理的提法是：
自然規律是否允許類時閉曲線（註：closed timelike curve）的出現？
這裡所謂的類時閉曲線可以被理解為這麼一個特殊的幾何結構，你朝著前方走直線，最後發現自己回到了過去。
類時閉合曲線
舉個例子來說，想像一張床單，然後在床單上粘了一根布條做的環，約定一個方向是時間流動的方向，然後這個布條環就是沿著這個方向的。接著讓一隻螞蟻在這個床單上爬，並且往前可以爬上布條，螞蟻就會發現，他一直在往前爬，結果卻出現在了自己上布條之前的地方——按照約定，這就是過去的某個時間點。
用比較正經的方式來說，就是時空可能出現一些特殊的拓撲結構，將過去的時空區域和未來的時空區域「粘合」起來，以至於當你朝著未來運動的時候，最後卻來到了過去。
研究這種大尺度範圍的時空結構的理論工具，當然就是廣義相對論了，其對應的數學工具就是各種微分幾何——其中主要是整體微分幾何。
霍金曾經和人打了個賭，他提出了「時序保護猜想」來論述自然規律禁止類時閉曲線的出現，並打賭這個猜想是正確的。宏觀下的時序保護猜想目前基本被認為是正確的，雖然還沒有被最終嚴格證明。這也就說明：在宏觀上想要通過類時閉曲線回到過去，看起來似乎必須使用神跡才能做到了。
時序保護猜想的一個大前提，就是在宏觀領域，也可以近似地認為是只考慮廣義相對論的情況下。但我們知道，時空的結構在某些極端情況下並不只由廣義相對論說了算，我們還需要考慮量子效應，黑洞就是這樣一種極端情況。
在黑洞附近的極端條件下，時序保護猜想是否依然成立呢？這在目前就只是一個信仰的問題了——大家都相信這個猜想依然成立，雖然無法證明。
在黑洞附近的極端條件下，時序保護猜想是否依然成立？
那麼，宏觀上不可能回到過去，是否表示我們肯定一點辦法都沒有呢？
這倒未必。
比如說，讓我們從一張膜上穿越到另一張膜，另一張膜的時間流向和這張膜上的相反，然後在那張膜上自然前往未來後，再穿越回這張膜，就等於是回到了原來這張膜的過去。這麼一個動態過程有別於類時閉曲線，是否依然會受到時序保護猜想的約束呢？
從一張膜到另一張膜，是否回到了過去？
這是一個有趣的問題。
花樣「穿越」時間
時序保護猜想的核心思想是：自然條件下，時空不可能出現類時閉曲線這種幾何結構。
但類時閉曲線並不是回到過去的唯一途徑。
在量子場論中，有一類對象叫做反粒子。反粒子和構成我們這個世界絕大多數物質的正粒子的最大不同點，就在於反粒子所帶的電荷和正粒子是相反的。
電子和正電子
比如說，一個電子所攜帶的電荷是-1，那麼一個反電子（由於歷史原因，電子的這個反物質夥伴其實被稱為「正電子」）所帶的電荷就是+1。同樣的，一個氫原子的原子核（就是一個質子）所帶的電荷是+1，那麼反氫原子的原子核（就是一個反質子）所帶的電荷就是-1了。
在量子場論中，一個反粒子可以看做就是一個普通的正粒子，只不過它是逆時間而流的！
是不是很神奇？
事實上，一次普通的量子真空漲落，可以看做是真空中突然出現一對正反粒子，它們在一段時間後又相撞湮滅消失這麼一個過程。但同時也可以看做是真空中出現了一個粒子環，它在時間方向上構成了一個完整的閉合的環，從而只在環所包含的時間範圍里出現。
這樣兩個視野在我們看來都是可以的，而在第二個視角下，粒子只不過進行了一個時間旅行罷了。
因此，假如說我們可以讓自己瞬間變成對應的反物質，那麼就可以看做是朝著過去運動——當然，這只是在微觀層面——是不是就可以逆著時間的洪流走向過去呢？
這樣的場景很容易讓人聯想到布拉德·皮特演的《奇人巴頓傳奇》（註：又譯《本傑明·巴頓奇事》），一個典型的逆著時間生長的人，雖然這兩件事其實根本無關。
逆著時間生長的本傑明·巴頓
下面，我們就來看看這樣的過程——至少在微觀層面——是否是可能發生的。
?經典物理世界中的時間反轉?
?
牛頓第二定律是物理世界中最有名的一個方程：
這是一個矢量方程，其中方程左邊是物體受到的作用力，而方程右面的m是物體的質量，是物體的加速度。加速度並不是一個「基本」物理量，它是由物體的空間位置與時間所構成的一個物理量。我們可以用一些更加基本的量和運算來表達這個方程而不改變其意義與正確性：
這個方程的左邊是加速度的定義，即便是考慮廣義相對論的彎曲時空，這也可以看做是一個基本的定義，即坐標系中的3-加速度（按照廣義相對論，這是四維的真正加速度在三維空間「切片」上的「投影」），而右邊是受到的外力與質量的比，即一個物理關係。
假如我們現在把時間反轉，將上述整個方程中的時間這個因子取一個反，即t變為-t，而別的因素都不變，那麼會發生什麼？
也就是說，牛頓第二定律是時間反轉下不變的，或者更加「專業」一點地說，就是「時間反演不變」的。
同樣的，如果我們將空間做一個反演，會如何？
首先，方程左邊的x會變成-x，而在空間反演操作下，矢量本身是要多一個負號出來的，所以方程右面的矢量要變成。
舉例來說，假定空間上具有勢能分布，而物體受到的力就是這個勢能V的梯度：
從而在空間反演下就有：
於是，現在牛頓運動定律的方程就變成了：
方程形式還是不變，所以牛頓第二定律具有「空間反演不變性」。
事實上，我們還可以說牛頓第二定律是「電荷反演不變」的。為了說明這點，我們假定物體本身帶有電荷e，然後受到的力是庫侖力和洛倫茲力的合力：
這裡矢量是電場場強，而矢量是磁場場強，v是物體自身的運動速度矢量。
這麼一來，運動方程就變成了：
在電荷反轉下，電場與磁場都會跟著一起反轉，因為它們都是由電荷自身或者電荷的運動所產生的，從而現在運動方程就變成了：
形式依然不變。事實上，在這個問題中，無論是採用時間反轉、空間反轉還是電荷反轉，方程的形式都不變。
因此，物理學家們自然就產生了這麼一個聯想：
所有物理定律在時間反演（T反演）、空間反演（後來改為宇稱反演、P反演）和電荷反演（C反演）下是不變的。
值得注意的是，這個猜想有一個前提條件，所考慮的是單個粒子的演化規律，而不考慮由大量粒子構成的系宗。
比如熱力學中的熱擴散方程，和與之形成對比的介質中的波動方程或者電磁場的麥克斯韋方程。它們會帶來一個有趣的結果：波動方程在時間反演和空間反演下都是不變的，但擴散方程只在空間反演下不變。
這就表示，對於一個波動過程，我們如果把一個錄像帶倒帶播放給不知情的觀眾看，他們是無法看出其中的區別的；但如果是一個熱擴散過程，那麼觀眾可以一眼就看出來你是把錄像倒帶過來忽悠人的。
再簡單一點來說，就是打碎的瓶子中釋放出來的氣體，只能擴散出去，不可能重新聚攏到瓶子里，瓶子也不可能從破碎的狀態變回完整的狀態。
這就是熱力學箭頭。
從上面的例子我們可以看出：對於宏觀的複雜系統來說，時間反演不變性似乎「神秘」地破缺了。從而在現實的日常生活的世界中，我們可以有把握地說：時間倒流看來是不可能的。
三大反演守恆一下壞了倆
對於微觀粒子來說，物理定律看上去是滿足T、P、C三個反演不變的，直到某天出了一個幺蛾子。
1957年，華人科學家吳健雄與她的同僚們發現，在兩組自旋互為鏡像的鈷60的衰變實驗中，在極低溫度下發現衰變輻射出的電子數具有極大的不同。這就是說，P反演在這個弱相互作用過程中不再對稱。
在這之後，人們開始懷疑C和T反演是否也不守恆。到了1964年，詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇發現在弱相互作用過程中不但C反演不守恆，CP聯合反演也不守恆！
這下就熱鬧了，一直被膜拜的信條里三個壞了兩個，這事鬧得有點大。
於是，當時就有人開始想了：既然CP都不守恆，那麼T反演是否守恆？時間反演下的物理規律是否不變？
C反演不守恆與CP聯合反演不守恆對於我們理解自然來說，是非常重要的，因為它或許可以回答這麼兩個重要而神秘的問題：
宇宙中為何正物質比反物質多了這麼多？
為何構成地球生命的蛋白質以左旋為主而非右旋？
由於C破缺，所以在宇宙早期的高能相互作用中，正物質就可以通過這種破缺佔據數量上的上風，這種微弱的破缺帶來的數量上的差異最終造就了我們現在所看到的多姿多彩的宇宙。而如果C不破缺，那麼很可能最終宇宙是正物質與反物質一樣多，從而根本無法形成穩定的結構，更別提絢麗多姿的星繫世界了。
這麼想想，C破缺說不定還是盤古給劈出來的喲。（大誤……）
如果經典物理遇到時間機器……
通過上面的介紹，我們知道了這麼兩點：
時序保護猜想似乎很可能是正確的，至少在宏觀的經典時空中不存在類時閉曲線
在微觀過程中，基本粒子隨著時間逆流而上時很可能會遭遇不同的物理過程。
用一句話解釋，時間旅行看來很有可能是被自然規律所禁止的。
當然，這兩條目前都還是沒有被嚴格證明，但這不妨礙我們來開一個腦洞：假如時間旅行真的可行，尤其是在經典物理範圍里，那麼我們會遇到什麼？
考慮最簡單的情況，假定空間中存在兩個點A和B，構成一個蟲洞，所有進入點A的物體都會在dt時間前的點B出來，而所有進入點B的物體都會在dt時間後的點A出來，進出蟲洞前後的物體的能量與動量保持不變。
那麼在這麼一個時空中，假定一個物體從點S出發，朝著某個特定的方向以動量P運動，那麼我們最終會得到一個奇妙的結果：
物體從S出發後，可能就沿著直線運動下去，不發生任何奇妙的事情。
但也有可能，物體運動到某個位置時，與未來的自己F1發生碰撞，被撞向點A，然後從dt時間前的點B出現，繼續直線運動後與過去的自己X發生碰撞，將它撞向點A的同時，自己繼續運動，接著又與另一個未來的自己F2碰撞，被撞向點A，接著自己又從點B出來，撞向過去的F1，把F1撞向點A後，自己終於以動量P繼續運動了下去直到Q。
這個粒子的運動路徑是：SB-BC-AD-DC-AB-BD-DQ，請大家自行腦補。
在這個過程中，除了自己與過去以及未來的自己相撞這點外，從結局來看，唯一發生的事情就是結局中物體的位置發生了偏移。
事實上，這樣的自己與兩個未來的自己發生碰撞的模式可以有無數種具體的實現，而如果我們考慮可以和更多個未來的自己發生碰撞的模式的話，會發現最終我們可以遇到自己和無數個未來的自己發生碰撞的情況，而不單單是經典物理中的唯一解。
我們甚至可以假定粒子不是與未來的自己發生碰撞，而是與AB蟲洞之間的「幽靈粒子」相撞，這個「幽靈粒子」既不出現在蟲洞區之外，也不會跑到AB在平常空間中的平行四邊形區域外。那麼就會出現更加有趣的情況：
或者這樣：
紅色的是原始粒子的世界線，而綠色的是「幽靈粒子」的世界線，他們彼此糾纏，但卻又安然無事。
我們甚至可以加上更多這種「幽靈粒子」，從而將經典的直線運動在這個蟲洞區域改造得更加稀奇古怪。更進一步，我們可以把上述經典粒子運動過程與場論中一種名為Phi4的理論作用一個比較：
Phi4量子場論中典型的兩圈圖
我們可以通過一些簡單的規則，將這種Phi4理論和上面的帶蟲洞的經典物理之間建立起一種一一對應關係，把一個Phi4量子場論的過程對應到帶有一定蟲洞結構的經典時空中，讓具有時間旅行能力的蟲洞能給經典物理帶來一定的量子特性。
更有意思的是，這樣一個AB蟲洞還給粒子施加了一個從A（過去端）到B（未來端）的作用。並且我們還可以建立一個內部「旋轉」的蟲洞，不僅讓通過中間區域的粒子發生平移，還會出現狀態的偏轉。
事實上，通過精心的設計，我們可以利用這種蟲洞來「構造」出引力，而完全不需要真的讓時空彎曲。更加豐富的蟲洞結構可以得到更加豐富的經典物理上的作用，所以這是一個非常有趣的腦洞大坑哦~
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