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编者按：本文涉及电视剧《开始》重大剧透，请谨慎阅读。
前言
最近，在朋友圈各位大师的大力支持下，我进入了《开始》。 不得不说，中国影视剧领域已经很久没有出现这样一部具有科幻元素、逻辑流畅的剧集了。 在《开始》中，男女主角携带炸弹登上了45路公交车。 一旦他们因爆炸而失去知觉或睡着，时间就会倒流，他们将回到尚未爆炸的巴士上。 主角团需要在一次又一次的循环中找到办法营救车内的所有乘客。 这种无限时间循环的题材在以往的国外科幻剧中并不少见。 比较著名的例子有《源代码》、《忌日快乐》等，但《开始》仍以其新颖的情节设计、严谨精致的细节和伏笔而广受好评。 无论是原著小说还是影视剧中，作者都没有提及时间循环的技术原理。 因此，本文将尝试完善这一物理背景。 基于物理学家Juan (Juan, 1968–)和 (, 1940–)于2013年发表的ER = EPR原理，我们将解释如何建造一台可能能够时光倒流的时间机器。
我们的基本逻辑是这样的：首先，在两个不同时刻创建处于量子纠缠态的基本粒子； 然后通过ER=EPR原理将这些纠缠粒子转化为连接两个不同时刻的虫洞。 这样，在满足触发条件的情况下，两位主角就可以在炸弹尚未爆炸的情况下，通过虫洞回到公交车上。 这个逻辑设定可以合理地解释为什么会出现时间循环、为什么循环在炸弹上车前不推进、为什么肖的身体状况越来越差，以及原作者挖出来却查不到的一系列其他事情填.坑. 但在此之前，我们需要了解虫洞、量子纠缠、ER = EPR等基本概念。
黑洞、白洞、虫洞
如果你关注科幻小说，那么相信你对黑洞这个概念一定不会陌生。 在2014年上映的《星际穿越》中，科学顾问基普·索恩（Kip ，1940-）和他的团队利用数值相对论计算，为我们还原了一个相当真实的天文黑洞。 黑洞完全是引力的直接产物。 通常物质中基本粒子之间的电磁相互作用远大于引力相互作用。 然而，如果非常大量的物质聚集在一起，它们之间产生的引力可能会克服粒子之间的电磁斥力，导致物质不断向中心塌陷，形成越来越致密的恒星。 随着越来越多的物质被吸入，恒星产生的引力也越来越强，进一步导致更多的物质被吸入。这种正反馈效应一旦开始，就无法逆转。 恒星产生的引力越来越强，直到某一点，连光都无法从恒星表面逃逸。 这在我们的时空中创造了一个几乎完全不发光的区域，这就是黑洞。 我们唯一能看到的是围绕黑洞不断旋转的一层光（吸积盘）。
图1 天文黑洞及其周围吸积盘的计算机渲染（：NASA）
黑洞在很多人眼里几乎成了神秘的代名词。 然而事实上，在1915年，就在爱因斯坦（，1879-1955）发表广义相对论几个月后，史瓦西（Karl，1873-1916）就找到了爱因斯坦引力场方程的解，这就是史瓦西解。 史瓦西解的中心是最简单的黑洞。
1960年，克鲁斯卡尔（，1925-2006）扩展了史瓦西解，构造了所谓的克鲁斯卡尔延拓，大致如图2所示。图2右侧罗马数字I标记的菱形区域就是外面的宇宙。黑洞，而上面标有罗马数字II的倒三角形区域就是黑洞。 此外，克鲁斯卡尔的延续还包含两个镜像区域：区域III是宇宙的镜像，区域IV是黑洞的镜像，我们称之为白洞（While Hole）。 白洞的性质与黑洞完全相反：黑洞吸入物质，而白洞立即将物质吐出。
图2 延拓的彭罗斯图（：作者的课程作业）
黑洞和白洞的这种组合非常有趣。 试想一下，如果我们可以把黑洞放在一个地方，把白洞放在很远的地方，那么我们只要往黑洞里扔一个物体，这个物体就会从白洞里跑出来。 这样一来，我们不是就完成了即时转账了吗？ 是的，事实上，早在1916年，Flamm（1885-1964）就提出利用黑洞和白洞形成虫洞（）。 20 世纪 30 年代，爱因斯坦和他的合作者罗森（1909-1995）详细研究了利用虫洞进行即时传输或时间旅行的可能性。 因此，虫洞也被称为爱因斯坦-罗森桥（-Rosen）。 不幸的是，当时人们认为黑洞表面的引力太强，任何物体都无法毫发无伤地通过。 这个想法被搁置了。
1963年，数学家罗伊·克尔（Roy Kerr，1934年至今）发现，如果黑洞可以旋转，那么其表面的某些区域可能不会有如此离谱的引力，这意味着我们实际上有机会利用这些引力来制造更多的黑洞。强大的物体。 薄弱区域进入黑洞。 《星际穿越》接近尾声时，男主试图进入黑洞获取量子数据，也用到了这个原理。 这一新发现也使得利用虫洞进行隐形传输或时间旅行成为可能。 《开始》中的两位主角也有机会利用类似的原理穿越虫洞，回到尚未发生爆炸的巴士上。
那么问题来了，我们该如何创造虫洞呢？
规范/引力二元性
1900年4月27日，开尔文（第一代男爵，1824-1907）在英国皇家物理学会发表了著名的“两朵乌云”理论，一朵是光的以太理论，另一朵是黑体辐射理论。 问题。 戏剧性的是，这两朵乌云最终演化成了现代物理学史上最具颠覆性的两大突破——相对论和量子力学。 这则轶事也被各路科普作家津津乐道。 然而，很多人可能不理解的是，这两种开创性的理论彼此严重矛盾。 自他们诞生以来，调和他们之间矛盾的努力就从未停止过。 然而，无论是量子理论的经典解释还是引力的各种量子化方案都没有给出令人满意的结果。 到目前为止，我们还未能成功解决他们之间的各种矛盾。 因此，广义相对论（经典引力论）与量子力学之间的矛盾逐渐成为现代理论物理中最棘手的问题之一。
然而，世纪之交，事情却突然发生了意想不到的转变。 1997年，物理学家Juan （Juan，1968-）提交了一篇论文，描述了一种称为AdS/CFT二元性的物理机制。 他发现特殊背景下的经典引力理论（AdS）和另一种特殊的量子规范理论（CFT）实际上给出了高度相似的结果。 这意味着对于一个特殊的物理系统，我们既可以用经典引力理论来描述，也可以用量子规范理论来描述。 是的物理资源网，物理学家近一个世纪以来一直在努力协调广义相对论和量子力学，最终发现它们实际上可能是描述同一现象的两种不同方式，是同一枚硬币的两面。
这一发现几乎瞬间引爆了高能物理界。 在接下来的二十年里，物理学家逐渐建立了这种二元性的更普遍形式：规范/引力二元性。 具体来说，如果一种现象可以用经典引力理论来描述，那么它很可能可以用量子理论来描述，反之亦然。 这也意味着我们或许可以将一些曾经在引力领域难以解决的问题转移到量子领域，尝试用量子技术来解决。 这包括如何创建虫洞。
ER=EPR
虫洞是广义相对论的产物。 然而，广义相对论并没有告诉我们虫洞是如何产生的。 因此，物理学家想到利用规范/引力二象性将这个问题转移到量子的角度来分析。 2013 年，物理学家 和合作者 （1940-）发表了一篇论文。 他们发现，虫洞对应的量子现象正是困扰我们已久的量子纠缠（ ）。
量子纠缠可以说是量子世界中最神秘的概念之一。 它允许两个粒子在很远的距离上连接，并且这种连接不受光速等信息传输速度的限制。 量子纠缠是一种高度复杂和微妙的现象。 为了不离题，我们通过一个例子来快速介绍一下量子纠缠的基本信息。
假设我们有两个电子 A 和 B。我们可以将它们放置得很远，甚至光也需要一段时间才能从 A 到达 B。电子有一个称为自旋的属性。 自旋有两种选择：向上自旋和向下自旋。 如果A和B处于最大量子纠缠态，那么我们会看到一个神奇的现象：分别测量A或B的自旋方向，它们都有50%的可能性向上，50%的可能性向下； 然而，每当 A 上升时，B 就会下降； 同样，每当A倒下时，B就会无一例外地上升，就好像他们“已经同意了”一样。 然而，有一些精心设计的实验证明它们实际上并不是“承诺的”。 一切都在测量的那一刻决定。 那么现在问题来了，B怎么知道我们测量了A，它又如何得到A的测量结果呢？
图3 ER=EPR
很长一段时间，我们都毫无头绪。 然而规范/引力二象性告诉我们，B很可能通过隐藏在A和B背后的虫洞来维持与A的关系。这个虫洞就像A和B之间的一条“捷径”，让他们不需要“影响” “通过其他物理过程彼此。 这个结论称为ER=EPR。 其中，ER指爱因斯坦-罗森桥（-Rosen），EPR是爱因斯坦（）、波多尔斯基（）、罗森（Rosen）姓氏的缩写； 他们在1935年的论文中首次提出了量子纠缠的概念，EPR也成为了量子纠缠的名称。
ER = EPR原理告诉我们，如果我们想创造一个虫洞，那么我们只需要创造量子纠缠。 创建量子纠缠恰恰是当前量子物理界的专长——创建量子纠缠是各种量子通信方法的重要一步。 事实上，我国在这一类技术上甚至已经走在了世界前列（从这个角度来说，《开始》作为一部国产剧确实是相当合适的）。
穿越时空的传送？
我们来整理一下吧。 既然创造量子纠缠可以创造虫洞，而且我们已经掌握了创造量子纠缠的技术，那是不是意味着我们已经可以创造虫洞了呢？
确实如此。 事实上，我们已经可以通过时间和空间传送少量粒子。 只是量子物理界并没有把它理解为通过虫洞的传输，而是给它起了一个全新的名字：量子隐形传态（ ）。 就连央视新闻也对此做了专题报道：
图4 央视新闻对量子隐形传态的报道
不过物理学家 穿越，这项技术或许与很多人想象中的“虫洞旅行”不太一样。 在这个过程中，物质实际上都被“运输”了。 实际传递的只是物质的状态。 也就是说，如果我们未来利用这项技术打造一台能够将“你”从北京运送到上海的机器，那么这台机器的实际工作原理就是将北京的“你”打散成基本粒子，然后将“你”从北京运送到上海。获得组成“你”的基本粒子的所有信息，然后通过量子纠缠与上海的一束基本粒子相关联，从而将上海的一束基本粒子重构为一个“你”。 由于构成“你”的所有基本粒子的状态在传输前后都是相同的，所以从物理角度来看，两个“你”实际上是同一个“你”。
我希望你没有被我冲昏头脑。
时间机器和时间循环
所以，如果我们想创造一个像《开始》中描述的那样的时间循环，我们只需要通过量子纠缠建立一个虫洞。 这样，如果满足触发条件（比如爆炸、睡着等），两位主角就可以通过这个虫洞回到公交车上。 目前的量子隐形传态只能实现空间中两个不同点之间的时间和空间传输。 那么是否有可能在两个不同的时间点之间传送呢？ 我们还不知道，至少现在还不知道。 因此，我们只能做出一个科幻式的想法：假设我们可以在两个不同的时间点之间构建量子纠缠，那么我们就可以在这两个时间点之间构建一个虫洞，从而实现“时间机器”的功能。
然而，这台时间机器有功能限制。 例如，过去相对于现在不存在纠缠粒子。 所以你无法使用这个时间机器回到它被创建之前的时间。 你能做的就是创造一台时间机器，在【未来】的某个时间放置纠缠粒子，然后在【更远的未来】回到这个【未来】的时间点。 所以，从这个角度来看，这个时间机器与其说是在做时间旅行，不如说是在“放置还原点”，就像你备份数据一样。
图5 一个可能的时间机器运行时间线
此外，纠缠粒子也会被消耗。 这是基于量子隐形传态原理的合理推测。 也就是说，这种还原点一般都是一次性使用的。 也就是说，如果你在某一时刻放置的纠缠粒子只够一次传输物理学家 穿越，那么传输完成，这个恢复点就消失了。
所以，如果你想创建一个时间循环，从技术上来说，你只需要在某个时间放置许多恢复点即可。 这样，当将来某个时刻触发恢复条件时，就可以恢复到恢复时刻。 由于还原点会被消耗，因此当纠缠粒子被消耗时，循环最终会结束。 你在上一个周期之前所经历的所有周期，从量子理论的角度来看，都发生在某个“平行时空”中； 对于其他人来说，只有最后一个周期真正发生了。
因此，基于这个原理，对于《开端》所涉及的时间循环，最合理的解释是：有一个掌握了时间机器技术的神秘人。 炸弹上车后，他开始设置大量的还原点，以便主角团能够继续返回巴士，并找到阻止炸弹爆炸的方法。 而这个神秘人可能还没有来得及在炸弹上车之前设置还原点，这使得主角团无法回到更早的时间点来阻止炸弹上车。
另外，我们也可以解释为什么肖的健康状况越来越差。 很可能这个循环一开始就是为李设置的。 当小野进入循环后，每个循环消耗的纠缠粒子数量就会增加。 此时传输保真度（）也会因此而降低，导致Xiao无法在周期后期实现更完美的恢复。
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