胡安·马尔达西纳:连爱因斯坦都想不到,量子纠缠和虫洞可能是一回事

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   理论物理充满了令人难以置信的想法,就是其中最诡异的有一一有一个 前要数量子纠缠和虫洞。前者由量子力学理论预言,是指有一一有一个 这样 明显物理联系的物体(通常是原子或亚原子粒子)之间处在四种 令人惊异的关联。而虫洞由广义相对论预言,是连接时光相距遥远的有一一有一个 区域的捷径。最近,包括我在内的几位理论物理学家的研究暗示,四种 个 看起来截然不同的概念之间处在联系。基于对黑洞的计算,朋友意识到量子力学的纠缠和广义相对论的虫洞或许在本质上是等价的,是同有一一有一个 难题的不同描述,就是朋友相信,四种 这类性同样适用于黑洞以外的场合。

   四种 等价关系会带来深远的影响。这说明,宇宙中还处在更基本的微观成分,而时光四种 则是从四种 成分间的纠缠中呈展(emerge)出来。还有或多或少,尽管科学家老是 认为纠缠物体之间这样 物理联系,但它们就是实际上是通过四种 土方式连在一并的,就是四种 土方式远这样 朋友认为的那般奇异。

   此外,纠缠和虫洞的四种 联系就是还促使建立有一一有一个 量子力学和时光的统一理论——物理学家称之为量子引力理论,它能从原子和亚原子领域的相互作用定律中导出宏观宇宙的物理规律。原来有一一有一个 理论对于理解宇宙大爆炸和黑洞内内外部是必要的。

   有趣的是,量子纠缠和虫洞都能追溯到由爱因斯坦及其相互相互战略合作们在1935年所写的两篇文章。表皮上看来,两篇文章是在解决完全不同的难题,而爱因斯坦就是从未想到它们之间竟然处在着四种 联系。事实上,纠缠四种 量子力学的社会形态原来让爱因斯坦无比烦恼,还被他称为 “疾驰般的超距作用” 。但讽刺的是,它如今就是为爱因斯坦的相对论提供桥梁,使其延伸到量子领域。

   黑洞和虫洞

   为了解释我为四种 认为量子纠缠和虫洞会联系到一并,我先得描述黑洞的哪几次性质,四种 性质与我的想法密切相关。黑洞是弯曲的时光区域,与朋友所熟知的、相对而言未被扭曲的空间非常不一样。黑洞的有一一有一个 显著社会形态是朋友不能将它的几何社会形态分隔为有一一有一个 区域:有一一有一个 是空间被弯曲,但物体和信息仍能逃离的内外部区域;有一一有一个 是物质和信息进去已经 就再也无法出来的内内外部区域。内内外部和内外部被有一一有一个 名为“事件视界”的表皮分隔开来。广义相对论真不知道们,视界就是有一一有一个 想象出来的表皮,当有一一有一个 宇航员穿越视界的已经 不言而喻会在那里感到任何异样。就是一旦穿过它,四种 空间旅行者将注定被挤压进有一一有一个 有着巨大曲率且无法逃离的区域。(事实上,黑洞内内外部相对内外部而言实际上是在未来,统统旅行者无法逃离,就是他无法穿越回过去。)

   在爱因斯坦提出广义相对论仅仅一年后,德国物理学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)找到了爱因斯坦方程的有一一有一个 最简单的解,描述了已经 被称为黑洞的天体。史瓦西计算出的时光几何社会形态是这样 的出人意料,以至于科学家直到20世纪80年代才真正理解到,四种 社会形态描述的不言而喻是连接有一一有一个 黑洞的虫洞。从内外部看,有一一有一个 黑洞是相距很远的有一一有一个 独立实体,然而它们共有一一有一个 内内外部区域。

   在1935年的论文中,爱因斯坦和他的相互相互战略合作内森·罗森(Nathan Rosen,当时也在普林斯顿等研究院)预料到,四种 共有的内内外部不言而喻是四种 虫洞(不言而喻朋友这样 完全理解虫洞所代表的几何社会形态),就是虫洞也被称为“爱因斯坦-罗森桥”。

   史瓦西的虫洞解与宇宙中自然形成的黑洞不同的地方在于,前者不含高物质,仅仅是弯曲的时光。就是有物质处在,自然形成的黑洞非要一一有一个 内外部区域,而大多数研究者认为有一一有一个 完全的史瓦西解有一一有一个 内外部区域,就是四种 解是有一一有一个 与宇宙中的真实黑洞无关的有趣数学结果。但不管怎样才能,它就有有一一有一个 有趣的解,物理学家对它的物理解释也很好奇。

   史瓦西解真不知道们,连接有一一有一个 黑洞内外部区域的虫洞是随时间变化的:随着时间流逝变长变细,就像把面团拉成面条。一并,在某或多或少交汇的有一一有一个 黑洞的视界将越快了 了 分离。事实上,它们分开得这样 越快了 了 ,以至于朋友无法利用原来有一一有一个 虫洞从有一一有一个 内外部区域旅行到原来内外部区域。换句话,朋友还不能说这座桥在朋友穿过前就就是坍缩了。在面团拉伸的借喻中,桥的坍缩对应于面团被拉伸成面条后,变得无限细。

   要着重指出的是,朋友所讨论的虫洞与广义相对论中不允许超光速旅行的定律是相容的,在四种 点上是不同于科幻作品中的四种 虫洞的。在科幻电影中,四种 虫洞允许在空间中相距遥远的区域之间瞬时传送,比如电影《星际穿越》中的情节。科幻作品老是 违反已知的物理定律。

   就是一部科幻小说写到了像朋友所说的四种 虫洞,这样 小说描述的场景就会像下面原来。假设有一对年轻的情侣罗密欧(Romeo)和朱丽叶(Juliet)。朋友两边的家庭都反对朋友在一并,统统将罗密欧和朱丽叶送到不同的星系,禁止朋友旅行。然而这对情侣非常聪明地伟大的发明了有一一有一个 虫洞。从内外部看,虫洞看起来像一对黑洞,有一一有一个 在罗密欧处在的星系,原来在朱丽叶处在的星系。这对情侣决定跳入朋友每每人个的黑洞。现在,对朋友的家庭而言,朋友就是跳入黑洞殉情了,永远不用再有消息了。然而内外部世界所真不知道的是,虫洞的时光几何社会形态允许罗密欧和朱丽叶在共有的内内外部区域相遇。就是,朋友不能幸福地相处一段时间,直到桥坍缩并摧毁内内外部区域,从而将朋友都杀死。

   量子纠缠

   1935年的另外一篇论文讨论了原来朋友感兴趣的难题——纠缠,这篇论文是爱因斯坦、罗森和鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky,当时也在普林斯顿高等研究院) 相互战略合作撰写的。也正是就是这篇论文,三位作者被合称为EPR。在这篇著名的论文中,朋友提出,量子力学允许相距遥远的物体之间处在四种 奇特的关联,即纠缠。

   相距遥远的物体之间的关联也还不能老是 出现在经典物理中。想象一下,这类你把一只手套忘在他家,只带了一只出门。在查看口袋前,你并真不知道此人 带的是左手手套还是右手那只。而一旦你看完带的是右手那只,你马上就能知道落在他家的那就是左手的。就是,纠缠牵涉的是另四种 截然不同的关联,四种 关联只处在于由量子力学支配的物理量之间,而四种 量遵守海森堡不挑选性原理。四种 原理断言,处在或多或少成对的物理量,朋友非要一并精确地知道它们的值。最著名的例子就是有一一有一个 粒子的位置和速率单位:就是朋友精确地测量到它的位置,这样 它的速率单位将变得不挑选,反之亦然。EPR 想知道,就是朋友测量一对相距遥远的粒子每每人个的位置就是速率单位,这样 会处在四种 。

   EPR所分析的例子涉及有一一有一个 相同质量的粒子,在有一一有一个 单一的维度上运动。不妨称呼四种 个 粒子为R和J,就是朋友还不能想象它们是罗密欧和朱丽叶测量的有一一有一个 粒子。朋友以四种 土方式制备这对粒子,使得它们的质心有一一有一个 定义明确的位置,朋友把它叫做xcm,等于xR(R粒子的位置)加带xJ(J粒子的位置)再除以2。朋友还不能要求质心位置等于零,也就是说,朋友还不能说四种 个 粒子老是 处在与原点等距离的位置上。朋友让四种 个 粒子的相对速率单位vrel等于R粒子的速率单位(vR)减去J粒子的速率单位(vJ),并取有一一有一个 精确的值,比如,让vrel等于某个朋友称作v0的数值。换句话说,有一一有一个 粒子的速率单位差保持不变。这里朋友不言而喻一并精确地指定了位置和速率单位,但针对的就有同有一一有一个 物体,统统不言而喻违反海森堡不挑选性原理。就是朋友有一一有一个 不同的粒子,这样 ,尽管朋友非要一并精确地知道第有一一有一个 粒子的位置和它的速率单位,但朋友完全还不能挑选第有一一有一个 粒子的位置和第五个粒子的速率单位。这类的,一旦朋友知道了有一一有一个 粒子质心的精确位置,这样 朋友就非要挑选质心的速率单位,但朋友还是还不能挑选有一一有一个 粒子的相对速率单位。

   现在朋友进入最精彩的每段,你你是什么并也是量子纠缠让我感到不可思议的地方。试想,朋友的有一一有一个 粒子相距遥远,就是有一一有一个 同样相距遥远的观测者,罗密欧和朱丽叶,决定去测量粒子的位置。现在,就是上述制备粒子的土方式,就是朱丽叶挑选xJ等于某个特定值,罗密欧将发现他的粒子的位置正好是朱丽叶那个粒子的位置的负值(xR=-xJ)。前要注意的是,朱丽叶的结果是随机的:她的粒子的位置将随着每次测量而变化。然而,罗密欧的结果则完全由朱丽叶的结果所挑选。现在假设,朋友都测量了每每人个粒子的速率单位。就是朱丽叶得到有一一有一个 具体值vJ,这样 罗密欧肯定会发现他所测得的速率单位是朱丽叶的值加带相对速率单位(vR=vJ+v0)。再一次,罗密欧的结果是由朱丽叶的结果完全决定的。当然,罗密欧和朱丽叶还不能自由挑选测量哪个量。不为什么我么我是,就是朱丽叶测量的是位置而罗密欧测量的是速率单位,这样 朋友的结果将是随机的而不呈现任何关联。

   奇特的是,即使罗密欧对粒子位置和速率单位的测量受到了海森堡不挑选性原理的限制,就是朱丽叶决定测量她的粒子的位置,这样 一旦罗密欧获知了朱丽叶的测量结果,他的粒子也将有完全挑选的位置。就是同样的事情也会老是 出现在速率单位上。看起来仿佛一旦朱丽叶测量了位置,罗密欧的粒子就立即 “知道” 它前要有一一有一个 定义明确的位置和有一一有一个 不挑选的速率单位,反过来就是朱丽叶测量了速率单位,罗密欧的粒子就会有挑选的速率单位和不挑选的位置。初看起来,四种 具体情况好像允许四种 信息的即时传送:朱丽叶还不能测量她的粒子的位置,而罗密欧就将看完他的粒子有一一有一个 挑选的位置,由此推断朱丽叶挑选测量的物理量是位置。然而,在真不知道朱丽叶所测位置的实际值的具体情况下,罗密欧不用意识到他的粒子有了挑选的位置。统统实际上量子纠缠所造成的关联不言而喻能用来超光速传递信号。

   不言而喻就是在实验中得到证实,但纠缠看起来仍然就是量子系统有一一有一个 深奥难懂的社会形态。不过,在过去的二十多年里,四种 量子关联就是促使加密技术和量子计算等领域产生了或多或少实际应用和突破。

   虫洞等于纠缠

   这样 ,朋友是怎样才能把有一一有一个 截然不同的奇异难题——虫洞和纠缠——联系到一并的呢?对黑洞的深度1思考引领朋友走向了四种 答案。1974年,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)发现量子效应将是因为分析黑洞像热物体一样辐射,证明了这样 任何东西能从黑洞逃离的传统观点不言而喻是过于复杂化了。黑洞辐射的事实暗示它们具有温度——四种 点有着非常重要的意义。

   自从19世纪以来,物理学家就知道温度源自有一一有一个 系统中微观组分的运动。这类,在氯化氢气体里,温度来自分子的随机运动。就是,就是黑洞有温度,这样 它们就应该就有四种 微观组分,四种 组分还不能具有各种不同的组态,即所谓的微观态。朋友也相信,至少从内外部看来,黑洞应该表现得像有一一有一个 量子系统,也就是说,它们应该遵循所有量子力学的定律。总之,当朋友从内外部看黑洞,朋友应该发现有一一有一个 拥有或多或少微观态的体系,而黑洞处在每有一一有一个 微观态的概率就有均等的。

  

   就是黑洞从内外部看就像通常的量子体系,这样 朋友完全还不能认为一对黑洞还不能相互纠缠。假设有一对相距遥远的黑洞,每有一一有一个 黑洞就有统统种就是的微观量子态。现在想象一对纠缠的黑洞,其中第有一一有一个 黑洞的每有一一有一个 量子态都与第五个黑洞的对应量子态关联。不为什么我么我是,就是朋友测量到第有一一有一个 黑洞处在某个特定的具体情况,这样 原来黑洞前要正好处在相同的具体情况。

有趣的是,基于弦论(四种 量子引力理论)的特定考量,朋友认为,一对微观态以四种 土方式(即所谓EPR纠缠态)纠缠的黑洞将产生原来四种 时光社会形态:有一一有一个 虫洞将有一一有一个 黑洞内内外部连接起来。换句话说,量子纠缠在有一一有一个 黑洞之间创造了有一一有一个 几何连接。四种 结果是令人惊讶的,就是朋友过去认为纠缠是四种 这样 物理联系的关联。就是,四种 具体情况下的有一一有一个 黑洞却通过它们的内内外部产生了物理联系,(点击此处阅读下一页)

本文责编:frank 发信站:爱思想(http://www.aisixiang.com),栏目:天益笔会 > 科研究会神 > 科学演讲 本文链接:http://www.aisixiang.com/data/106758.html 文章来源:《环球科学》