當(dāng)黑洞遇上量子糾纏：或許會(huì)發(fā)生意想不到的情況！

研究人員開發(fā)出了一種穿越宇宙的新方法，但這種方法不僅具有無法言說的危險(xiǎn)性，而且速度可能異常緩慢。該方法涉及連接特殊黑洞的蟲洞，而這些黑洞很可能一開始并不存在。另一方面，這或許還可以解釋信息從一個(gè)點(diǎn)量子傳送到另一個(gè)點(diǎn)時(shí)可能會(huì)發(fā)生什么。

哈佛大學(xué)物理學(xué)家丹尼爾·賈弗里斯(Daniel Jafferis)于4月13日在美國物理學(xué)會(huì)的一次會(huì)議上描述了這種方法。他表示，這種方法涉及兩個(gè)相互糾纏的黑洞，它們因此可以跨越時(shí)空連接在一起。

蟲洞是什么?

賈弗里斯等人的想法解決了一個(gè)長(zhǎng)期存在的問題：當(dāng)物體進(jìn)入蟲洞時(shí)，它需要負(fù)能量才能從另一側(cè)離開。在正常情況下，蟲洞出口的時(shí)空形狀使其無法通過。但在理論上，具有負(fù)能量的物質(zhì)可以克服這個(gè)障礙。然而，在關(guān)于引力和時(shí)空——用來描述蟲洞——的物理學(xué)中，沒有任何允許這種負(fù)能量脈沖存在的可能。因此，蟲洞實(shí)際上是不可能通過的。

“它只是一種空間連接，但是，如果你試圖穿過它，它就會(huì)以極快的速度坍縮，以至于你無法通過，”賈弗里斯說道。

這個(gè)較早的蟲洞模型可以追溯到阿爾伯特·愛因斯坦和納森·羅森(Nathan Rosen)于1935年發(fā)表在《物理評(píng)論》(Physical Review)上的一篇論文。這兩位物理學(xué)家意識(shí)到，在某些情況下，相對(duì)論會(huì)允許時(shí)空極為彎曲，以至于會(huì)形成某種隧道——或者“橋梁”——將兩個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)連接起來。蟲洞因此也被稱為“愛因斯坦-羅森橋”。

愛因斯坦與羅森在研究引力場(chǎng)方程時(shí)假設(shè)黑洞與白洞(廣義相對(duì)論中性質(zhì)與黑洞相反的區(qū)域)之間通過蟲洞連接，認(rèn)為通過蟲洞可以進(jìn)行瞬時(shí)空間轉(zhuǎn)移或時(shí)間旅行。迄今為止，科學(xué)家還沒有觀察到蟲洞存在的證據(jù)。

愛因斯坦和羅森寫這篇論文的部分原因是為了排除宇宙中存在黑洞的可能性，但是在那之后的幾十年里，隨著物理學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到黑洞的存在，蟲洞的標(biāo)準(zhǔn)圖像就變成了一個(gè)隧道，兩端的開口以黑洞的形式出現(xiàn)。然而，按照這一理論，像隧道一樣的蟲洞很可能永遠(yuǎn)不會(huì)自然存在于宇宙中;如果存在的話，那么也會(huì)在任何東西穿過它之前就轉(zhuǎn)瞬即逝。20世紀(jì)80年代，美國物理學(xué)家基普·索恩(Kip Thorne)寫道，如果施加某種負(fù)能量使蟲洞保持打開狀態(tài)的話，或許就能使物體穿過這個(gè)蟲洞。

量子糾纏

賈弗里斯與哈佛大學(xué)的物理學(xué)家高蘋以及斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家艾倫·沃爾(Aron Wall)一起，開發(fā)了一個(gè)利用負(fù)能量的新方法。這種負(fù)能量來自一個(gè)非常特殊的物理學(xué)領(lǐng)域——量子糾纏。

量子糾纏來自量子力學(xué)，而不是相對(duì)論。早在1935年，愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基(Boris Podolsky)和納森·羅森在《物理評(píng)論》上發(fā)表了另一篇論文，表明在量子力學(xué)的規(guī)則下，粒子可以彼此“關(guān)聯(lián)”，其中一個(gè)粒子的行為會(huì)直接影響另一個(gè)粒子的行為。

愛因斯坦、波多爾斯基和羅森認(rèn)為，這種現(xiàn)象證明了他們的量子力學(xué)理論有問題，因?yàn)檫@將允許信息在兩個(gè)粒子之間以超過光速的速度移動(dòng)?，F(xiàn)在，物理學(xué)家知道量子糾纏是真實(shí)存在的，量子隱形傳送幾乎是物理學(xué)研究的常規(guī)部分。

量子隱形傳送的工作原理是這樣的：讓兩個(gè)光子A和B糾纏，然后，把B交給你的朋友帶到另一個(gè)房間;接下來，用第三個(gè)光子C撞擊A，這就使A和C糾纏并破壞A和B之間的糾纏。你可以測(cè)量A和C的組合狀態(tài)——與A、B或C的原始狀態(tài)都不同——并將組合粒子的結(jié)果與在隔壁房間的朋友交流。

在不知道光子B狀態(tài)的情況下，你的朋友就可以利用這些有限的信息來操縱B，以獲得粒子C在整個(gè)過程開始時(shí)的狀態(tài)。通過對(duì)B的測(cè)量，她可以在沒有其他信息的情況下知道C的初始狀態(tài)，換句話說，粒子C的信息從一個(gè)房間傳送到了另一個(gè)房間。

量子隱形傳送很有用，因?yàn)樗梢猿洚?dāng)一種不可破解的代碼，用于將消息從一個(gè)點(diǎn)發(fā)送到下一個(gè)點(diǎn)。量子糾纏不僅僅是單個(gè)粒子的性質(zhì)，較大的物體也會(huì)糾纏，盡管它們之間的完美糾纏要困難得多。

糾纏的黑洞可否讓人通行?

在1935年寫下這些論文的物理學(xué)家并沒有意識(shí)到蟲洞和量子糾纏之間的聯(lián)系，但在2013年，物理學(xué)家胡安·馬爾達(dá)塞納(Juan Maldacena)和倫納德·蘇斯金德(Leonard Susskind)在《物理學(xué)進(jìn)展》(Progress in Physics)雜志上發(fā)表了一篇論文，將這兩種理論聯(lián)系了起來。他們認(rèn)為，兩個(gè)完全糾纏在一起的黑洞會(huì)在它們的兩個(gè)空間點(diǎn)之間形成一個(gè)蟲洞。他們將這個(gè)想法稱為“ER=EPR”，因?yàn)樗鼘垡蛩固?羅森的論文與愛因斯坦-波多爾斯基-羅森的論文聯(lián)系了起來。

當(dāng)被問及宇宙中是否真的存在兩個(gè)完全糾纏在一起的黑洞時(shí)，賈弗里斯說：“不，不，肯定不存在。”這并不是說在物理學(xué)上不可能出現(xiàn)這種情況，而是說這種情況過于精確和龐大，以至于無法在我們這個(gè)混亂的宇宙中產(chǎn)生。出現(xiàn)兩個(gè)完全糾纏在一起的黑洞就像中了彩票一樣，只是可能性小了無數(shù)倍。

賈弗里斯表示，如果它們確實(shí)存在，那么當(dāng)?shù)谌齻€(gè)物體與其中一個(gè)黑洞發(fā)生作用時(shí)，它們就會(huì)失去這種完全的相關(guān)性。但是，如果在某個(gè)地方剛好存在這樣一對(duì)黑洞，那么賈弗里斯、高蘋和沃爾的新方法可能就會(huì)奏效。

他們的研究結(jié)果于2017年12月首次發(fā)表在《高能物理雜志》(The Journal of High Energy Physics)上，所闡述的過程類似于：首先讓你的朋友進(jìn)入一對(duì)糾纏黑洞的其中一個(gè)里面，然后測(cè)量從黑洞發(fā)出的霍金輻射，里面就包含著黑洞狀態(tài)的一些信息;接著，把這些信息帶到第二個(gè)黑洞，并用該信息操縱這個(gè)黑洞。這一過程可以很簡(jiǎn)單，就好比從第一個(gè)黑洞向第二個(gè)黑洞釋放一束霍金輻射。理論上，你的朋友應(yīng)該會(huì)在進(jìn)入第一個(gè)黑洞的同時(shí)從第二個(gè)黑洞中出來。

賈弗里斯稱，從他的角度看，他的朋友可能是先跳入一個(gè)蟲洞，當(dāng)她接近奇點(diǎn)時(shí)，她會(huì)感受到一股負(fù)能量的“脈沖”，把她推到另一邊去。他表示，這個(gè)方法并不是特別有用，因?yàn)樗偸潜仍趦蓚€(gè)黑洞之間的物理移動(dòng)更慢。不過，該方法也確實(shí)揭示了宇宙的某些性質(zhì)。

賈弗里斯認(rèn)為，從糾纏粒子之間傳遞的少量信息來看，類似的情況可能正在發(fā)生。他說，在單個(gè)量子物體的尺度上，談?wù)摾脮r(shí)空彎曲來產(chǎn)生蟲洞并沒有什么意義;但是，如果是用更多的粒子來實(shí)現(xiàn)稍微復(fù)雜一點(diǎn)的量子隱形傳態(tài)，則蟲洞模型突然間就變得很有意義了。有強(qiáng)有力的證據(jù)表明，這兩種現(xiàn)象是相互關(guān)聯(lián)的。

這項(xiàng)研究也有力地表明，丟失在黑洞里的信息可能會(huì)被帶到某個(gè)地方，或許有一天還能被找回。賈弗里斯還表示，如果未來某一天你不幸掉進(jìn)黑洞，那并不意味著沒有任何生還的希望。一個(gè)足夠先進(jìn)的文明或許能夠縮放該區(qū)域的宇宙，收集黑洞在億萬年的時(shí)間里緩慢釋放的所有霍金輻射，并將這些輻射壓縮成一個(gè)新的黑洞，使其與原來的黑洞糾纏。一旦新的黑洞出現(xiàn)，就有可能把你從里面救出來。

賈弗里斯表示，這種在黑洞之間移動(dòng)的方法的理論研究還在進(jìn)行中。不過，我們的目標(biāo)更多的是理解基礎(chǔ)物理，而不是拯救掉入黑洞的人——當(dāng)然，最好也不要冒這個(gè)險(xiǎn)。