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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

更新时间:2017-11-07 10:31:19
作者: 胡安·马尔达西纳  
通过虫洞相互接近了。

   我和美国斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)将虫洞和纠缠的这种等价性称作 “ER=EPR”,因为它把爱因斯坦和他的合作者在1935年所写的两篇文章联系在了一起。从EPR的角度看,在每个黑洞视界附近进行的观测是彼此关联的,因为两个黑洞处于量子纠缠态。从ER的角度看,这些观测是关联的,因为两个系统经由虫洞连接。

   现在回到我们关于罗密欧和朱丽叶的科幻故事,让我们看看这对情侣应该做些什么来制造一对纠缠的黑洞以产生虫洞。首先,他们需要产生大量纠缠的粒子对,就像之前所讨论的那样,罗密欧拥有每个纠缠对中的一个粒子而朱丽叶拥有另一个。然后,他们需要制造非常复杂的量子计算机以操纵他们各自的量子粒子,再以一种可控的方式把这些粒子组合起来,形成一对纠缠的黑洞。要完成这样一个壮举将是极其困难的,但根据物理定律,要做到这一点是有可能的。另外,我们之前确实说过罗密欧和朱丽叶是非常聪明的。

  

   从黑洞到微观粒子

   将我们引导至此的理论是许多研究者历经多年建立起来的,它始于维尔纳·伊斯雷尔(Werner Israel)在1976年发表的一篇文章,当时他任职于加拿大阿尔伯塔大学。2006年,笠真生(Shinsei Ryu)和高柳匡(Tadashi Takayanagi)发表了关于纠缠和时空几何之间的联系的有趣研究,他们当时都在加利福尼亚大学圣巴巴拉分校工作。我和萨斯坎德则受到了2012年一篇论文的启发,这篇论文是由艾哈迈德·艾勒穆海里(Ahmed Almheiri)、唐纳德·马洛尔夫(Donald Marolf)、约瑟夫·波尔金斯基(Joseph Polchinski)和詹姆斯·萨利(James Sully)共同撰写的,他们当时也在加利福尼亚大学圣巴巴拉分校。他们发现了一个佯谬,与纠缠的黑洞内部的本质有关,而ER=EPR理论(黑洞内部是连接另一个系统的虫洞的一部分)则可以在某些方面缓和这个佯谬。

   虽然我们是通过黑洞发现了虫洞和纠缠态之间的联系,但我们不禁要猜测,这种联系可能并不局限于黑洞这种情况:只要存在纠缠,就一定有某种几何联系。即使是最简单的情况,即两个纠缠粒子,这种联系也应当成立。不过,在这种情况下,空间上的联系涉及了微小的量子结构,这些结构是无法用常规的几何概念来理解的。我们仍然不知道如何描述这些微观几何结构,但是这些结构的纠缠或许通过某种方式生成了时空本身。看起来,纠缠可以被看做是联系两个系统的引线(thread)。当纠缠增多时,就有了许多条引线,这些引线能够编织到一起从而形成时空结构。在这个图景中,爱因斯坦的相对论方程支配着这些引线的连接和重连;而量子力学不仅仅是引力的一个附件——它更是时空结构的本质。

   目前,上述图景仍然是一个大胆的猜测,但有一些线索指向它,而且很多物理学家都在探寻它的含义。我们相信,看起来并不相关的纠缠和虫洞可能在事实上是等价的,而且这种等价性为发展量子时空理论以及统一广义相对论和量子力学提供了一个重要的线索。

  

   作者简介 : 胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena)是美国普林斯顿高等研究院的理论物理学家,在量子引力和弦论研究上做出了重要贡献,并在2012年荣获了基础物理突破奖(Breakthrough Prize in Fundamental Physics)。

  

   翻译 | 王少江

   审校 | 蔡荣根


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文章来源:《环球科学》
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