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虫洞与量子纠缠

2013-11-29 10:46 作者:苗千来源:三联生活周刊 2013年第48期
爱因斯坦和罗森提出,根据广义相对论的方程描述,在空间中可能存在一种“桥”,连接空间中遥远的两个点,成为一种空间中的“捷径”。

理论物理学家胡安·马尔德西纳


物理学家、弦论创始人之一伦纳德·萨斯坎德

问题依然是起源于2012年夏天开始的关于黑洞火墙的讨论。美国加州大学圣芭芭拉分校4位目前被统称为AMPS的理论物理学家提出了一个悖论:作为广义相对论的产物,一个老年(蒸发过半)的黑洞为了保证量子纠缠“一对一”的特性,在黑洞的视界处必然会有一个高能量的“火墙”,这个忽然间出现的火墙让众多理论物理学家感到恼火又无可奈何,陷入了持久的争论之中。如今,这个持续了一年多的悖论开始逐渐找到出路,而且,对于这个悖论的解释还可能会以出人意料的方式推动理论物理学的发展。

在宇宙深处不声不响地吞噬一切接近它的物质的黑洞已经显得足够神秘,如果在它的周围再加上一层火墙,不仅是听上去让物理学家们难以理解和接受,更重要的是黑洞火墙违反了广义相对论最基本的“等效原理”,因为黑洞的视界并不是一个物理概念,而只是一个数学上的边界而已,因此在理论上这个区域不会和其他区域有所不同,但是根据量子力学的规则描述,一个火墙的存在又是必须的——量子力学和广义相对论,究竟要牺牲哪一个?这正是黑洞火墙悖论最让人苦恼之处。

一年多来,理论物理学家们大致分成了“有火墙”和“没有火墙”两派,几百篇论文从这两个方面进行论述。2013年7月11日,两位声名卓著的理论物理学家在网络上发表了一篇论文的预印本,迅速吸引了物理学家们的关注。来自普林斯顿高等教育研究院的理论物理学家胡安·马尔德西纳(Juan Maldacena)和来自斯坦福大学的物理学家、弦论的创始人之一伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)共同发表论文《处于纠缠态黑洞的冷视界》(Cool Horizons For Entangled Black Holes),论证在老年黑洞的视界处,并不一定会存在高能量的火墙。

从题目来看,这篇论文只是众多支持没有黑洞火墙一派的论文中的一篇,但是它吸引到众多物理学家的关注绝不仅仅是因为这篇论文的两位作者的声誉。为了解决黑洞火墙的这个悖论,两位作者在论文中做出了一个大胆的论述,而这有可能正是使量子力学与广义相对论相融洽的关键。

引发黑洞火墙悖论的起点在于量子纠缠现象,这种现象是在微观领域由量子力学描述的一种奇特现象:两个处于纠缠态的微观粒子,无论它们之间相隔多远,它们的状态始终可以超越空间相互影响。在理论上,人们无法通过量子纠缠状态来传递信息,因此可以说这种神奇的现象并未违反物理学的“定域性”(Locality)。但是马尔德西纳和萨斯坎德为了解决黑洞火墙的悖论,开始探索量子纠缠态在宏观领域的表现,它们在论文中大胆提出:EPR=ER,正是这个让人初看起来觉得不知所云的公式把微观和宏观现象连接在一起。

EPR所代指的正是量子纠缠现象,它源于爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和纳森·罗森(Nathan Rosen)1935年在《物理评论》杂志上发表的论文《量子力学对于物理事实的描述是完备的吗?》(Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?),此后物理学界就通常使用EPR来代指微观的量子纠缠现象。而ER则是出于爱因斯坦与纳森·罗森在1935年合作的另外一篇论文《广义相对论中的粒子问题》(The Particle Problem in the General Theory of Relativity),在这篇论文中,爱因斯坦和罗森提出,根据广义相对论的方程描述,在空间中可能存在一种“桥”,连接空间中遥远的两个点,成为一种空间中的“捷径”,之后物理学家们就称这种仅在理论中存在的空间中的捷径为“爱因斯坦-罗森桥”(Einstein-Rosen Bridge),或简称为ER。

爱因斯坦-罗森桥现在虽然仅仅是存在于理论中,与普通人的生活没有什么关系,但是它的一个俗称“虫洞”,则早已充斥于各种科幻作品中而为大众所熟知了。在大众文化中,虫洞作为一种空间中的捷径,可以迅速把人送到宇宙中的各处,当然在理论上这并不可能发生,因为虫洞即使真正存在,也会极为不稳定,任何平均能量为正值的物质都会轻易地摧毁虫洞,理论上只有平均能量为负值的奇异物质才有可能顺利通过虫洞(人类目前在理论和实践中都未发现“负能量”的物质)。

马尔德西纳和萨斯坎德在论文中则把量子纠缠现象和“虫洞”做了类比,他们做出了一个惊人的推论:黑洞之间有可能通过在黑洞最中心的“奇点”处的虫洞与宇宙中另外一个遥远的黑洞形成纠缠状态,而这种黑洞之间的关联状态正是量子纠缠状态在宏观状态下的展示,也就是说,微观粒子之间的量子纠缠和通过虫洞形成纠缠态的黑洞有着相同的本质,这也正是EPR=ER的由来。

如果这个公式成立的话,那么人们对于“鬼魅般的超距作用”也就有了更为深刻的认识,两个处于纠缠态的微观粒子,之所以能够无论相隔多远,都可以在瞬间相互影响,正是因为它们之间可以通过极为微小的虫洞相互联系。马尔德西纳和萨斯坎德认为,在理论上人们可以收集到一个黑洞通过霍金蒸发所放射出的所有粒子,而这些粒子都和黑洞内部的某个粒子相互纠缠,如果人们收集了黑洞的霍金蒸发过半时的所有粒子,那么这些粒子也就和黑洞形成了最大的纠缠状态,如果人们进一步把这些收集到的粒子压缩形成另外一个黑洞,那么这个新产生的黑洞也就和之前的黑洞形成了纠缠状态,它们之间会通过一个虫洞保持相互联系——也就是说,无数个微观的虫洞聚合在一起,形成一个宏观的虫洞把两个宏观的黑洞连接在了一起。

如果马尔德西纳和萨斯坎德的推论正确,那么黑洞之间的虫洞将成为黑洞火墙悖论的一个高超解决办法,在老年黑洞的视界周围,也就未必会出现一个高能量粒子构成的火墙。但是这种纯粹理论上的推论毕竟还需要实验的证实,正所谓超乎寻常的主张需要超乎寻常的证明,如果虫洞和量子纠缠确实有着相同的本质,这将是人类对于时空本质的认识的一大进步,也将是把时空量子化,得到完整的量子引力学说的开端。

实际上,马尔德西纳和萨斯坎德并非是首先把虫洞与量子纠缠相类比的物理学家,在20世纪60年代,美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)就曾经说过“一切都是几何”,他认为并不存在点状的电子,人们用来描述电磁场的电场线的两端实际上就是一个微型虫洞的两端,但是他后来放弃了这个主张,认为“一切都是信息”。

当物理学家们被马尔德西纳和萨斯坎德的理论所吸引时,也难免会想到尼尔斯·波尔曾经说过的一句话:“我们都知道你的理论非常疯狂,但是我们观点的区别在于,你的理论是否足够疯狂,使它甚至可能是正确的。”把量子纠缠与虫洞做类比,这样的思路是否足够“疯狂”,以至于可能是“正确”的?马尔德西纳和萨斯坎德的论文吸引到大量的关注之后,开拓了很多物理学家的思路,但是也受到了很多批评,有些物理学家认为,这样的类比思路过于简单而且缺乏足够的证据。无论如何,我们都已经看到这场持续了一年多的争论使物理学家们开始通过寻找融合量子力学和广义相对论的方式来解决这个悖论,也许不久之后我们还会看到弦论、多重宇宙等理论登上舞台,参与到这场争论之中。在没有直接实验证据的条件下,理论物理学也最有可能在这种情形中取得进步和突破。

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