蟲洞與量子糾纏

蟲洞與量子糾纏

2013-11-29 10:46 作者：苗千來源：三聯生活周刊 2013年第48期

愛因斯坦和羅森提出，根據廣義相對論的方程描述，在空間中可能存在一種「橋」，連接空間中遙遠的兩個點，成為一種空間中的「捷徑」。

理論物理學家胡安·馬爾德西納

物理學家、弦論創始人之一倫納德·薩斯坎德

問題依然是起源於2012年夏天開始的關於黑洞火牆的討論。美國加州大學聖芭芭拉分校4位目前被統稱為AMPS的理論物理學家提出了一個悖論：作為廣義相對論的產物，一個老年（蒸發過半）的黑洞為了保證量子糾纏「一對一」的特性，在黑洞的視界處必然會有一個高能量的「火牆」，這個忽然間出現的火牆讓眾多理論物理學家感到惱火又無可奈何，陷入了持久的爭論之中。如今，這個持續了一年多的悖論開始逐漸找到出路，而且，對於這個悖論的解釋還可能會以出人意料的方式推動理論物理學的發展。

在宇宙深處不聲不響地吞噬一切接近它的物質的黑洞已經顯得足夠神秘，如果在它的周圍再加上一層火牆，不僅是聽上去讓物理學家們難以理解和接受，更重要的是黑洞火牆違反了廣義相對論最基本的「等效原理」，因為黑洞的視界並不是一個物理概念，而只是一個數學上的邊界而已，因此在理論上這個區域不會和其他區域有所不同，但是根據量子力學的規則描述，一個火牆的存在又是必須的——量子力學和廣義相對論，究竟要犧牲哪一個？這正是黑洞火牆悖論最讓人苦惱之處。

一年多來，理論物理學家們大致分成了「有火牆」和「沒有火牆」兩派，幾百篇論文從這兩個方面進行論述。2013年7月11日，兩位聲名卓著的理論物理學家在網絡上發表了一篇論文的預印本，迅速吸引了物理學家們的關注。來自普林斯頓高等教育研究院的理論物理學家胡安·馬爾德西納（Juan Maldacena）和來自史丹福大學的物理學家、弦論的創始人之一倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）共同發表論文《處於糾纏態黑洞的冷視界》（Cool Horizons For Entangled Black Holes），論證在老年黑洞的視界處，並不一定會存在高能量的火牆。

從題目來看，這篇論文只是眾多支持沒有黑洞火牆一派的論文中的一篇，但是它吸引到眾多物理學家的關注絕不僅僅是因為這篇論文的兩位作者的聲譽。為了解決黑洞火牆的這個悖論，兩位作者在論文中做出了一個大膽的論述，而這有可能正是使量子力學與廣義相對論相融洽的關鍵。

引發黑洞火牆悖論的起點在於量子糾纏現象，這種現象是在微觀領域由量子力學描述的一種奇特現象：兩個處於糾纏態的微觀粒子，無論它們之間相隔多遠，它們的狀態始終可以超越空間相互影響。在理論上，人們無法通過量子糾纏狀態來傳遞信息，因此可以說這種神奇的現象並未違反物理學的「定域性」（Locality）。但是馬爾德西納和薩斯坎德為了解決黑洞火牆的悖論，開始探索量子糾纏態在宏觀領域的表現，它們在論文中大膽提出：EPR=ER，正是這個讓人初看起來覺得不知所云的公式把微觀和宏觀現象連接在一起。

EPR所代指的正是量子糾纏現象，它源於愛因斯坦、鮑裡斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和納森·羅森（Nathan Rosen）1935年在《物理評論》雜誌上發表的論文《量子力學對於物理事實的描述是完備的嗎？》（Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete？），此後物理學界就通常使用EPR來代指微觀的量子糾纏現象。而ER則是出於愛因斯坦與納森·羅森在1935年合作的另外一篇論文《廣義相對論中的粒子問題》（The Particle Problem in the General Theory of Relativity），在這篇論文中，愛因斯坦和羅森提出，根據廣義相對論的方程描述，在空間中可能存在一種「橋」，連接空間中遙遠的兩個點，成為一種空間中的「捷徑」，之後物理學家們就稱這種僅在理論中存在的空間中的捷徑為「愛因斯坦－羅森橋」（Einstein-Rosen Bridge），或簡稱為ER。

愛因斯坦－羅森橋現在雖然僅僅是存在於理論中，與普通人的生活沒有什麼關係，但是它的一個俗稱「蟲洞」，則早已充斥於各種科幻作品中而為大眾所熟知了。在大眾文化中，蟲洞作為一種空間中的捷徑，可以迅速把人送到宇宙中的各處，當然在理論上這並不可能發生，因為蟲洞即使真正存在，也會極為不穩定，任何平均能量為正值的物質都會輕易地摧毀蟲洞，理論上只有平均能量為負值的奇異物質才有可能順利通過蟲洞（人類目前在理論和實踐中都未發現「負能量」的物質）。

馬爾德西納和薩斯坎德在論文中則把量子糾纏現象和「蟲洞」做了類比，他們做出了一個驚人的推論：黑洞之間有可能通過在黑洞最中心的「奇點」處的蟲洞與宇宙中另外一個遙遠的黑洞形成糾纏狀態，而這種黑洞之間的關聯狀態正是量子糾纏狀態在宏觀狀態下的展示，也就是說，微觀粒子之間的量子糾纏和通過蟲洞形成糾纏態的黑洞有著相同的本質，這也正是EPR=ER的由來。

如果這個公式成立的話，那麼人們對於「鬼魅般的超距作用」也就有了更為深刻的認識，兩個處於糾纏態的微觀粒子，之所以能夠無論相隔多遠，都可以在瞬間相互影響，正是因為它們之間可以通過極為微小的蟲洞相互聯繫。馬爾德西納和薩斯坎德認為，在理論上人們可以收集到一個黑洞通過霍金蒸發所放射出的所有粒子，而這些粒子都和黑洞內部的某個粒子相互糾纏，如果人們收集了黑洞的霍金蒸發過半時的所有粒子，那麼這些粒子也就和黑洞形成了最大的糾纏狀態，如果人們進一步把這些收集到的粒子壓縮形成另外一個黑洞，那麼這個新產生的黑洞也就和之前的黑洞形成了糾纏狀態，它們之間會通過一個蟲洞保持相互聯繫——也就是說，無數個微觀的蟲洞聚合在一起，形成一個宏觀的蟲洞把兩個宏觀的黑洞連接在了一起。

如果馬爾德西納和薩斯坎德的推論正確，那麼黑洞之間的蟲洞將成為黑洞火牆悖論的一個高超解決辦法，在老年黑洞的視界周圍，也就未必會出現一個高能量粒子構成的火牆。但是這種純粹理論上的推論畢竟還需要實驗的證實，正所謂超乎尋常的主張需要超乎尋常的證明，如果蟲洞和量子糾纏確實有著相同的本質，這將是人類對於時空本質的認識的一大進步，也將是把時空量子化，得到完整的量子引力學說的開端。

實際上，馬爾德西納和薩斯坎德並非是首先把蟲洞與量子糾纏相類比的物理學家，在20世紀60年代，美國物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）就曾經說過「一切都是幾何」，他認為並不存在點狀的電子，人們用來描述電磁場的電場線的兩端實際上就是一個微型蟲洞的兩端，但是他後來放棄了這個主張，認為「一切都是信息」。

當物理學家們被馬爾德西納和薩斯坎德的理論所吸引時，也難免會想到尼爾斯·波爾曾經說過的一句話：「我們都知道你的理論非常瘋狂，但是我們觀點的區別在於，你的理論是否足夠瘋狂，使它甚至可能是正確的。」把量子糾纏與蟲洞做類比，這樣的思路是否足夠「瘋狂」，以至於可能是「正確」的？馬爾德西納和薩斯坎德的論文吸引到大量的關注之後，開拓了很多物理學家的思路，但是也受到了很多批評，有些物理學家認為，這樣的類比思路過於簡單而且缺乏足夠的證據。無論如何，我們都已經看到這場持續了一年多的爭論使物理學家們開始通過尋找融合量子力學和廣義相對論的方式來解決這個悖論，也許不久之後我們還會看到弦論、多重宇宙等理論登上舞臺，參與到這場爭論之中。在沒有直接實驗證據的條件下，理論物理學也最有可能在這種情形中取得進步和突破。

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