這個新方程可以統一廣義相對論與量子力學

今天，我們要講的是一個能讓愛因斯坦感到驕傲的新方程。

非常容易記住：ER = EPR

你或許會認為，如果這個等式能夠成立，那麼P就必須等於1。但是這裡的符號並不是代表數字，而是名字。E，或許你已經猜到，代表愛因斯坦（Einstein）。R（Rosen）和P（Podolsky）則是另外兩位物理學家的首寫字母，他們與愛因斯坦在1935年共同發表了兩篇非常有意思的論文。這個公式迷人之處在於，它連接了愛因斯坦的廣義相對論和量子力學。

我們知道，量子力學和廣義相對論在各自領域出色的描述著我們生活的世界，它們也預言過許多聽起來有違常識的概念。當今物理學家的目標之一就是將它們合併在一起，並希望最終得到一個「量子引力理論」。但到目前為止，所有的努力都還沒有成功。

根據廣義相對論的預言，蟲洞可以連接宇宙中兩個遙遠的區域，提供一條捷徑。一些物理學家認為蟲洞可以連接空間中的兩個黑洞，為解開神秘的量子糾纏提供了一個線索；以及連結了量子力學和廣義相對論。

但是，ER = EPR建議，它們之間的聯繫或許隱藏在時空的隧道——蟲洞之中。看過電影《星際穿越》的讀著對蟲洞的概念應該不會陌生，它為宇宙航行提供了一條捷徑，只要從蟲洞的一端進入，我們就能到達被蟲洞連接的宇宙中的任何一個地方。而最有趣的地方是，蟲洞或許跟量子糾纏有關。（我國剛發射的量子衛星的其中一個任務就是檢驗量子糾纏。）

在過去的幾十年內，物理學家分別在嘗試解決兩個不同的量子問題：第一個，如何正確的詮釋量子力學，使量子世界的許多奇異行為的解釋變得更加清晰（比如量子糾纏）；第二，如何結合量子力學和引力。如果ER = EPR正確，那麼兩個問題都有同樣的答案：只有在理解量子和引力之間的聯繫的基礎上，才能夠更好的理解量子的詭異性。而蟲洞恰好提供了這麼一條路徑。

蟲洞，也被稱為愛因斯坦-羅森橋（即方程中的ER）。1935年，在愛因斯坦（E）與羅森（R）合作的一篇論文中首先提出蟲洞。而方程的右邊，EPR則是愛因斯坦（E）、波多爾斯基（P）和羅森（R）共同發表的另一篇論文。在這篇論文中他們首次提出了量子糾纏的概念。在過去幾十年，從來沒有人認真的思考過著兩篇論文之間或許存在著某種聯繫。直到2013年，物理學家Juan Maldacena和Leonard Susskind提出在某種程度上，蟲洞和糾纏是等同的，它們以不同的方式描述了同一個根本現實。

ER = EPR描述了幾何和糾纏的關係：糾纏的粒子由蟲洞連接。也就是說蟲洞等同於糾纏，它們只是描述同一現實的不同方式。（© Nature）

而在最近的一篇論文中，Susskind更進一步的提出了真箇想法背後或許隱藏著更深層的意義：理解蟲洞和糾纏的等同或許是結合量子力學和廣義相對論的關鍵。其中的細節可以解釋神秘的糾纏現象，而空間本身也可以從量子糾纏中出現。關於如何詮釋量子力學的爭論也可以在這個過程中解決。

糾纏是量子物理中最詭異的一個行為之一。舉個例子，當兩個粒子從一個共同的來源中發射出的時候就會產生糾纏。對於這樣的一個粒子對，量子力學告訴我們對其中一個粒子的測量（比如它的自旋）會得出一個特定結果（逆時針）的概率。但是對粒子對的其中一個成員進行測量，你就會立即知道當你對另一個成員進行測量所得出的結果，無論兩個粒子相隔有多麼遙遠。愛因斯坦對這樣的結果並不感到滿意，他認為對一個粒子的測量不應該影響對另一個粒子的測量，因此他稱量子糾纏為「鬼魅般的超距作用」。但是，許多實驗都表明糾纏的確存在。儘管如此（就像愛因斯坦所堅持的），信息的確是不能夠以超越光的速度從一個地方立即傳送到另一個地方。

物理學家通常都用兩個粒子來解釋量子糾纏。但是這其實是最簡單的一個例子。Susskind指出，量子場——也就是製造粒子的東東——也能夠糾纏。這跟在真空中不斷地出現和消失的「虛粒子」有關。這些粒子看起來像是憑空成對的出現，它們的共同來源確保了它們是糾纏的。在它們短暫的生命中，它們有時候會與真實的粒子相撞，這使它們也相互糾纏了。

現在，我們想像一下Alice和Bob在真空中開始收集這些真實糾纏的粒子。Alice收集所有粒子對的其中一個，而Bob收集另一個。接著他們搭乘宇宙飛船朝著不同的方向飛，直至相隔甚遠。現在，他們將收集的所有粒子用極強的力擠壓成黑洞。由於這些粒子一開始就是糾纏的，因此這等於他們製造出了糾纏的黑洞。如果ER = EPR，這就意味著這些黑洞之間是由蟲洞連接著的。因此，利用蟲洞的幾何就能夠描述糾纏。

更令人驚奇的是，兩個糾纏的亞原子粒子也以某種方式由量子蟲洞連接著。根據廣義相對論，蟲洞是時空幾何的扭曲，因此理解蟲洞和量子糾纏之間的聯繫，就可以在引力和量子力學之間架構一座橋梁。

另一方面，關於量子力學的詮釋一直都存在著激烈的爭辯。傳統的哥本哈根詮釋著重於觀測者的角色，一旦觀測者進行了測量，量子系統的各種可能性就會「塌縮」為其中一種（下圖）。而多世界詮釋則認為所有的可能性都會發生，觀測時會分離出無數個平行宇宙，每個宇宙都有一個確定的狀態，而我們只是在其中的一個特定宇宙。多世界詮釋的一個優點是不必考慮波函數的塌縮。如果ER = EPR，那麼這兩種詮釋就是互補的。（在論文中，Susskind用了「維格納的朋友」的實驗來解釋這兩個不同的觀點，其中牽涉到了維格納、愛因斯坦和薛丁格貓，非常有意思，建議有興趣的人可以查看文末「閱讀原文」的連結。）

左邊為量子力學的哥本哈根詮釋，右邊為多世界詮釋（又稱為相對狀態提法或艾弗雷特詮釋）。（© Leonard Susskind）

雖然如此，蟲洞並不能夠用來以超越光的速度在空間中傳遞信息。例如，Alice和Bob並不能夠通過連接他們黑洞的蟲洞來傳遞信息。如果他們想交流，他們可以跳進黑洞並在蟲洞的中間會和。如果這樣的會和能夠實現，將會是ER = EPR強有力的證明。

與此同時，在今年的早些時候，加州理工的幾個物理學家也研究了引力和量子糾纏之間的關係。他們試圖解釋時空是如何從真空中的量子糾纏網絡「建造」出來的。他們嘗試解釋一個改變的量子態如何跟彎曲的時空幾何相聯繫。從這個角度來看，引力很自然而然的就從量子力學中出現。

如果ER = EPR是正確的，那麼量子力學和引力之間的聯繫要比我們從前認為的更加緊密。這很重要！

註：Leonard Susskind是弦理論的創始人之一。念中學時他和父親一起做水管工人，後來決定改行讀物理，現在已經是大牛啦。網上可以搜到他的一系列課程。

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