前段時間，在朋友圈各路大神的強烈安利之下，我入坑了《開端》。不得不說，華語影視劇領域已經很久沒有出現過這種帶有科幻元素而又邏輯通暢的劇集了。在《開端》中，男女主角搭上了一輛載有一顆炸彈的 45 路公交車。一旦他們因為爆炸或是睡著而失去意識，便會發生時間倒流，他們也會重新回到還未爆炸的公交車上。主角團需要在這一次又一次的循環中，找到解救全車乘客的方法。這種無限時間循環的題材在以往國外的科幻劇作中并不少見，比較出名的例子有《源代碼》《忌日快樂》等。
然而，《開端》仍然以新穎的劇情設計、嚴謹精致的細節與伏筆而廣受好評。無論是在原著小說還是影視劇中，作者都沒有提及時間循環發生的技術原理。因此，本文將嘗試補全這一物理背景。我們將根據物理學家馬爾達西那（Juan Martin Maldacena, 1968–）與薩斯坎德（Leonard Susskind, 1940–）于 2013 年發表的 ER = EPR 原理，闡述如何構造一臺可能可以實現時光回溯的時間機器。
我們的基本邏輯是這樣的：首先，在兩個不同時刻制造處于量子糾纏狀態的基本粒子；然后通過 ER = EPR 原理將這些糾纏粒子轉化為連接這兩個不同時刻的蟲洞。這樣，兩位主角就可以在滿足觸發條件時，通過蟲洞返回到炸彈還未爆炸時的公交車上。這種邏輯設定可以合理地解釋為何會發生時間循環，以及為何循環不會提前到炸彈上車之前、為何肖的身體狀態會越來越差等一系列原作者挖了卻又填不上的坑。不過在此之前，我們需要先了解一下蟲洞、量子糾纏、ER = EPR 等基礎概念。
如果你關注科幻，那么我相信你一定不會對黑洞（black hole）這個概念感到陌生。在 2014 年上映的《星際穿越》中，科學顧問基普·索恩（Kip Thorne, 1940–）及其團隊利用數值相對論的計算為我們還原了一個相當真實的天文學黑洞。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要遠大于引力相互作用。
然而，如果有極大量的物質聚集在一起，它們之間的產生的引力便有可能克服粒子間的電磁斥力，從而使這些物質不斷地向中心坍縮，形成越來越致密的星體。隨著越來越多的物質被吸入，星體能產生的引力也越來越大，從而進一步導致更多的物質被吸入。這種正反饋作用一旦開啟便無法逆轉。星體產生的引力越來越大，直到某一時刻，連光也無法從星體的表面逃離。我們的時空中便因此而產生了一個幾乎完全不發光的區域，也就是黑洞。我們唯一能看見的，只有在黑洞外圍不斷繞著它旋轉的一層光環（吸積盤)。
圖 1天文學黑洞及周圍吸積盤的計算機渲染圖（Source: NASA)
黑洞在許多人眼里幾乎已經成為了神秘的代名詞。然而實際上，1915 年，在愛因斯坦（Albert Einstein, 1879–1955）發表他的廣義相對論僅僅幾個月后，史瓦西（Karl Schwarzschild, 1873–1916）便找到了愛因斯坦引力場方程的一個解，即史瓦西解。而史瓦西解的中心就是一個最簡單的黑洞。
1960 年，克魯斯卡爾（Martin Kruskal, 1925–2006）將史瓦西解進行了拓展，構造了所謂的克魯斯卡爾延拓，大概是圖 2 那個樣子。圖 2 中右側用羅馬數字 I 標記出來的菱形區域是黑洞以外的宇宙，而上方用羅馬數字 II 標記的倒三角區域便是一個黑洞。除此之外，克魯斯卡爾延拓還包含了兩個鏡像的區域：區域 III 是一個鏡像的宇宙，而區域 IV 便是黑洞的鏡像，我們稱之為白洞（while hole)。白洞的性質和黑洞剛好相反：黑洞把物質吸進去，而白洞則立即把它們吐出來。
圖 2克魯斯卡爾延拓的彭羅斯圖（Source: 作者的課程作業)
這個黑洞和白洞的組合就很有意思了。試想，如果我們能把黑洞放在一個位置，再把白洞放在一個距離很遠的地方，那么我們只要往黑洞里扔一個東西進去，這個東西就會從白洞里跑出來。這樣，我們豈不是完成了一次瞬間轉移？是的，其實早在 1916 年，弗萊姆（Ludwig Flamm, 1885–1964）就提出了這種用黑洞和白洞構成蟲洞（wormhole)。20 世紀 30 年代，愛因斯坦與其合作者羅森（Nathan Rosen, 1909–1995）詳細地研究了利用蟲洞做瞬間轉移或時間旅行的可能性。因此，蟲洞也被稱為愛因斯坦-羅森橋（Einstein-Rosen bridge)。可惜，當時人們認為，黑洞表面的引力過于強大，以至于任何物體都很難無傷通過。這一想法也就此擱置。
1963 年，數學家克爾（Roy Patrick Kerr, 1934–now）發現，如果黑洞可以旋轉，那么其表面某些區域可能就不會有過于離譜的引力，這意味著我們其實是有機會通過這些引力較弱的區域進入黑洞的。在《星際穿越》中，男主角在接近結尾時，嘗試進入黑洞獲取量子數據，也是利用了這一原理。這一新發現也使得利用蟲洞進行瞬間轉移或時間旅行成為物理學上的一種可能性。《開端》中的兩位主角，也完全有機會利用類似的原理，穿越蟲洞，回到還未發生爆炸的公交車上。
那么問題來了，我們應該如何去制造一個蟲洞呢？
1900 年 4 月 27 日，開爾文（William Thomson, 1st Baron Kelvin, 1824–1907）在英國皇家物理學會上發表了著名的「兩朵烏云」論，一朵有關于光的以太理論，另一朵則是黑體輻射問題。戲劇化的是，這兩朵烏云最終演變成為了近代物理學史上最具顛覆性的兩大突破 — 相對論與量子力學。這一軼聞也因此為各路科普作者所津津樂道。然而，許多人也許不了解的是，這兩大突破性理論互相之間是嚴重矛盾的。自從它們的誕生之日起，調和它們二者之間矛盾的努力從未停歇。然而，無論是量子理論的經典詮釋，還是引力的各種量子化方案均未能給出令人滿意的結果。直到現在，我們仍未能夠成功地解決它們之間的各種沖突。因此，廣義相對論（經典引力理論）與量子力學的矛盾也逐漸成為了現代理論物理學界最為棘手的問題之一。
然而就在世紀之交，事情突然有了意想不到的變化。1997 年，物理學家馬爾達西那（Juan Martin Maldacena, 1968–）提交了一篇論文，闡述了一種被稱為 AdS/CFT 對偶的物理機制。他發現，一種特殊背景下的經典引力理論（AdS）與另一種特殊的量子規范理論（CFT）居然給出了高度相似的結果。這也就意味著，對于某種特殊的物理系統，我們既可以用一種經典引力理論來描述，也可以用一種量子規范理論來描述。是的，物理學家努力了快一個世紀，嘗試調和廣義相對論和量子力學，結果最終發現，它們其實可能就是同一種現象的兩種不同的描述方式、同一枚硬幣的兩面而已。
這一發現幾乎瞬間引爆了高能物理學界。在接下來的二十幾年里，物理學家逐漸建立起了這種對偶更為普適的形式：規范/引力對偶。具體來說，就是如果一個現象可以被一種經典引力理論所描述，那么它也很可能可以被某種量子理論所描述，反之亦然。這也就意味著，曾經在引力領域的一些難以解決的問題，我們也許可以把它轉移到量子的領域，嘗試利用量子技術來解決。這其中就包括蟲洞的制造方法。
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。于是，物理學家想到了利用規范/引力對偶將這一問題轉移到量子的角度去分析。2013 年，物理學家馬爾達西那與合作者薩斯坎德（Leonard Susskind, 1940–）發表了一篇論文。他們發現，與蟲洞相對應的量子現象正是我們早已為之困擾了很久的量子糾纏（quantum entanglement)。
量子糾纏可以說是量子世界里最為神秘的概念之一，它允許距離很遠的兩個粒子產生關聯，且這種關聯還不受光速這種信息傳遞速度的限制。量子糾纏是一個高度復雜而又微妙的現象。為了不跑題，我們用一個例子來帶大家快速入門一下量子糾纏的基本信息。
假設我們有兩個電子 A 和 B。我們可以讓它們處于相距很遠的位置，遠到哪怕是光都要花上好一會兒才能從 A 到 B。電子有一種自身的屬性叫自旋（spin）。自旋可以有向上（spin-up）和向下（spin-down）兩種選擇。如果 A 和 B 處于最大量子糾纏狀態，那么我們將看到一種神奇的現象：單獨測量 A 或者 B 的自旋方向，它們都有 50% 的可能處于向上，也有 50% 可能處于向下；然而，每當A 處于向上時，B 就處于向下；同樣，每當A 向下，B 就向上，無一例外，就好像它們「早就說好了」一樣。然而，又有設計精巧的實驗證明，它們其實并沒有「早就說好」。一切都是在測量的那一瞬間決定的。那么現在問題來了，B 是如何知道我們測量了 A，又是如何獲得 A 的測量結果的呢？
圖 3ER = EPR
很長一段時間以來，我們對此毫無頭緒。然而，規范/引力對偶告訴我們，B 很可能是通過一個藏在 A、B 身后的蟲洞來維系和 A 的關聯。這個蟲洞就像是 A、B 之間的一條「捷徑」，使得它們無需通過其它物理過程來施加對彼此的「影響」。這一結論被稱為ER = EPR。其中，ER 指的就是愛因斯坦-羅森橋（Einstein-Rosen bridge)，而 EPR 則是愛因斯坦（Einstein)、波多爾斯基（Podolsky)、羅森（Rosen）三人姓氏的縮寫；他們于 1935 年在論文中首次提出量子糾纏的概念，從而 EPR 也成為了量子糾纏的代稱。
ER = EPR 原理告訴我們，如果我們想要制造一個蟲洞，那么我們只需要制造量子糾纏。而制造量子糾纏則恰恰是當前量子物理學界的拿手好活——在各種量子通訊手段中，制造量子糾纏都是重要的一步。事實上，我國在此類技術上甚至早已走在世界前列（從這個角度講，《開端》作為國產劇還真是相當應景)。
讓我們來整理一下，既然制造量子糾纏就能產生蟲洞，而我們又早已掌握了制造量子糾纏的技術，那豈不是說我們已經可以制造蟲洞了嗎？
確實是這樣的。事實上，我們已經可以做到對少量的粒子進行超時空傳送。只是量子物理學界并沒有把它理解為通過蟲洞來進行傳送，而是給它賦予了一個全新的名字：量子隱形傳態（quantum teleportation)。甚至，央視新聞也早已為此做過專門的報道：
圖 4央視新聞關于量子隱形傳態的報道
不過，這種技術可能和很多人想象中的「穿越蟲洞」不太一樣。這一過程中，并沒有任何物質真正地被「傳送」。實際傳送的只是物質的狀態而已。也就是說，如果將來我們用這種技術制造可以把「你」從北京傳送到上海的機器，那么這臺機器的實際運行原理是，把在北京的這個「你」打散為基本粒子，獲得構成「你」的基本粒子的所有信息，然后通過量子糾纏關聯到上海的一堆基本粒子上，從而把在上海的這堆基本粒子重新構造成一個「你」。由于傳送前后構成「你」的所有基本粒子的狀態是一致的，因而從物理角度講，這兩個「你」其實是同一個「你」。
我希望你沒被我繞暈了。
所以，如果我們想要制造一個如《開端》中描述的時間循環，我們只需要通過量子糾纏，設置一個蟲洞。這樣，兩位主角就可以在滿足觸發條件（例如爆炸、睡著等）的情況下，通過這個蟲洞回到公交車上。目前的量子隱形傳態只能夠在兩個不同的空間點之間實現超時空傳送。那么是否可以在兩個不同的時間點之間進行傳送呢？我們目前還不知道，至少暫時還沒有這樣的技術出現。所以，我們也只能做一步科幻式的設想：假設我們可以在兩個不同的時間點之間構造量子糾纏，那么我們就可以在這兩個時間點之間構造蟲洞，從而實現「時間機器」的功能。
但是，這種時間機器是有功能上的限制的。比如，相對于現在的 [過去] 并不存在任何糾纏粒子。所以你無法通過這種時間機器回到它還沒有被創造出來的時刻。你能做的只是在制造出時間機器后，在某個 [將來] 的時刻放置糾纏粒子，然后在 [更遠的將來] 回到 [將來] 這個時間點。所以，從這個角度上講，這種時間機器與其說是在做時間旅行，不如說是在「放置還原點」，就像你給數據做備份一樣。
圖 5一種可能的時間機器的運行時間線
另外，糾纏粒子是會被消耗的。這是由量子隱形傳態的原理所作出的合理推測。也就是說，這種還原點一般是一次性的。也就是說，如果某個時刻你放置的糾纏粒子只夠進行一次傳送，那么傳送完成，這一還原點也就消失了。
所以，如果要制造時間循環，從技術推測上講，你只需要在某一時刻放置許多還原點。這樣，在將來的某個時刻觸發還原條件，就可以還原到還原時刻。由于還原點會被消耗，循環最終也會在糾纏粒子被消耗殆盡后結束。你在最后一次循環前所經歷的所有循環，在量子理論的觀點中，都是發生在某個「平行時空」中的；對于其他人而言，只有最后一次循環真實地發生了。
所以，根據這樣的原理，《開端》劇中所涉及時間循環的最合理解釋是：有一個掌握了時間機器技術的神秘人，在炸彈上車后就開始大量設置還原點，使得主角團可以不斷地回到公交車上，尋找阻止炸彈爆炸的方法。而這個神秘人也許并沒有來得及在炸彈上車之前就設置好還原點，這也就使得主角團無法回到更早的時間點去阻止炸彈上車。
另外，我們也可以順帶解釋一下為什么肖的身體會越來越差。很可能這種循環一開始只是為李而設置的。當肖也進入循環了以后，每次循環消耗的糾纏粒子就增多了。這種時候，傳送的保真度（fidelity）也會因此而下降，從而導致肖在循環后期并不能夠做到比較完美的還原。
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