理論中的洞

我們的故事從一個(gè)多世紀(jì)前開始。

1915年11月，愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論場(chǎng)方程，推翻了經(jīng)典的引力概念。廣義相對(duì)論認(rèn)為，宇宙中的一切引力現(xiàn)象，不管是蘋果從樹上掉下來(lái)，還是遙遠(yuǎn)星系的旋轉(zhuǎn)，都是所處的時(shí)空發(fā)生了彎曲而引發(fā)的。引力被看成了時(shí)空彎曲的體現(xiàn)，而不是兩個(gè)天體質(zhì)量的相互吸引。

一個(gè)多世紀(jì)來(lái)，廣義相對(duì)論經(jīng)受了越來(lái)越精細(xì)的天文觀測(cè)的考驗(yàn)，然而，物理學(xué)家們對(duì)它的懷疑卻逐漸增加。這個(gè)理論把時(shí)空描述為連續(xù)光滑的背景。當(dāng)大量物質(zhì)聚集在一個(gè)很小的地方時(shí)，可能把這里的時(shí)空彎曲得如此嚴(yán)重，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)黑洞——一個(gè)具有超強(qiáng)引力的時(shí)空結(jié)構(gòu)，以至于幾乎沒(méi)有什么物質(zhì)可以從中逃離出去。這時(shí)，問(wèn)題就來(lái)了。

黑洞雖然是廣義相對(duì)論早期的一個(gè)預(yù)言。但是在20世紀(jì)70年代，以色列物理學(xué)家雅各布·貝肯斯坦和英國(guó)物理學(xué)家斯蒂芬·霍金借助于量子理論，推導(dǎo)出一個(gè)關(guān)于黑洞的奇怪結(jié)果：黑洞既有溫度，也有熵。熵是衡量系統(tǒng)混亂程度的物理量，一個(gè)系統(tǒng)越混亂，熵也就越高。

但是，如果黑洞只是光滑時(shí)空的極端結(jié)構(gòu)，那么它應(yīng)該沒(méi)有任何子結(jié)構(gòu)啊，哪兒來(lái)的熵呢？許多物理學(xué)家認(rèn)為，引入量子力學(xué)而產(chǎn)生的這個(gè)矛盾表明，愛(ài)因斯坦的理論并不是完整的，也就是說(shuō)它不是現(xiàn)實(shí)的完全寫照。

鬼魅般的超距作用

但愛(ài)因斯坦并不這么認(rèn)為，他反過(guò)來(lái)指控量子理論是不完整的。而且在1935年，愛(ài)因斯坦與他的同事鮑里斯·波多爾斯基、納森·羅森一起發(fā)表了一篇論文，揭露了他們所找到的量子理論中最大的謬論。他們發(fā)現(xiàn)，量子理論可以推導(dǎo)出兩個(gè)粒子可以瞬時(shí)彼此影響的怪異現(xiàn)象，即使它們各在宇宙的一端——這就是“量子糾纏”現(xiàn)象。在愛(ài)因斯坦看來(lái)，這是極不合理的，肯定是量子理論中缺失了什么導(dǎo)致的。

根據(jù)量子力學(xué)，一個(gè)粒子可以同時(shí)處在一種或多種狀態(tài)之下，比如一個(gè)粒子的自旋方向可以處在順時(shí)針或逆時(shí)針狀態(tài)，或者同時(shí)處在順時(shí)針和逆時(shí)針狀態(tài)，但具體處在什么狀態(tài)卻只能使用概率來(lái)描述。不過(guò)一旦對(duì)粒子進(jìn)行測(cè)量，粒子的自旋方向就會(huì)確定是順時(shí)針還是逆時(shí)針。

如果兩個(gè)粒子處于糾纏態(tài)，它們的自旋方向是互相關(guān)聯(lián)的。比如剛產(chǎn)生的一對(duì)虛粒子互為糾纏，而且要滿足角動(dòng)量守恒為零，那么它們的自旋方向必須相反，對(duì)第一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量并發(fā)現(xiàn)是順時(shí)針，那么另一個(gè)粒子自旋狀態(tài)瞬間就變成逆時(shí)針，即使它們相隔數(shù)萬(wàn)光年。

量子糾纏是量子理論中最為詭異的現(xiàn)象，它實(shí)在是太不可思議，難怪被愛(ài)因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”。但它也經(jīng)受住了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，有些都比檢測(cè)廣義相對(duì)論設(shè)計(jì)的更為精確。

兩個(gè)都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)的現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)理論的矛盾繼續(xù)無(wú)解，如果把量子糾纏應(yīng)用到黑洞那里，并仍繼續(xù)用廣義相對(duì)論來(lái)分析，會(huì)產(chǎn)生極為不愉快的結(jié)果：信息在黑洞里面似乎被摧毀了。而根據(jù)量子物理，信息是不能被摧毀的。如果信息真的不能被摧毀，那么黑洞表面（也叫事件視界）上應(yīng)該會(huì)出現(xiàn)一個(gè)由熾熱的高能粒子構(gòu)成的“火墻”，而“火墻”的存在卻與廣義相對(duì)論矛盾。

黑洞“火墻”悖論

20世紀(jì)70年代，霍金證明了黑洞會(huì)產(chǎn)生輻射。這個(gè)機(jī)制必須借助于量子理論才能得出。量子理論認(rèn)為，真空中會(huì)不斷產(chǎn)生一對(duì)互為糾纏狀態(tài)的虛粒子，它們誕生之后就會(huì)迅速發(fā)生湮滅。但是，這個(gè)事情如果發(fā)生在黑洞表面時(shí)，一個(gè)粒子可能向外飛走，而另一個(gè)會(huì)掉進(jìn)黑洞。這樣，黑洞會(huì)源源不斷地向外輻射粒子。這就是霍金輻射。

如果沒(méi)有新的物質(zhì)落到黑洞里去，一個(gè)黑洞可通過(guò)輻射而完全蒸發(fā)掉。但問(wèn)題是在量子理論中，信息是神圣不可侵犯的：它永遠(yuǎn)不會(huì)被銷毀。因此，如果一個(gè)黑洞完全蒸發(fā)掉了，那么里面物質(zhì)攜帶的信息跑哪兒去了？

這個(gè)“信息悖論”的一種解決方案是，信息隨霍金輻射一起逃了出去。但是在2012年，一些物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果是這樣的話會(huì)產(chǎn)生其他的悖論。因?yàn)椋胱屝畔⒉粊G失，一個(gè)掉進(jìn)黑洞途中的輻射粒子必須與之前更早期離開這個(gè)黑洞的其他輻射粒子發(fā)生糾纏，而不只是與它一起誕生的那個(gè)離開黑洞的伙伴粒子發(fā)生糾纏。

這就冒犯了糾纏的“一夫一妻制”原則——一個(gè)粒子一次只能與一個(gè)粒子發(fā)生糾纏。為了讓信息保留，一個(gè)輻射粒子必須與原來(lái)的伙伴粒子“離婚”，即中斷糾纏關(guān)系。然而，破壞這種糾纏關(guān)系，會(huì)在黑洞表面上釋放出能量，于是這里將會(huì)有一個(gè)“火墻”形成。這樣，信息雖然幸存了下來(lái)，但卻違背了廣義相對(duì)論，因?yàn)閺V義相對(duì)論要求一個(gè)黑洞表面附近的時(shí)空應(yīng)該是光滑的。

發(fā)現(xiàn)蟲洞

因此，我們需要一些方法來(lái)把兩個(gè)理論融合在一起——量子化時(shí)空并形成一個(gè)關(guān)于引力的量子理論。而弦理論是最有望能把兩個(gè)理論融合在一起的理論。弦理論用無(wú)窮小的振動(dòng)的弦來(lái)代替當(dāng)前的點(diǎn)粒子，并認(rèn)為時(shí)空有著粒狀的子結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)你不能無(wú)限地把時(shí)空分割為更小的單元。

如果弦理論真的能解答黑洞的問(wèn)題，那么它也特別擅長(zhǎng)隱藏答案。弦理論有超過(guò)10500個(gè)解，每個(gè)解描述的是一個(gè)不同的宇宙。在這種情況下，找到可以描述我們宇宙的解，比大海撈針還要難。

然而在1997年，阿根廷物理學(xué)家胡安·馬爾達(dá)西那給大家?guī)?lái)了一個(gè)新希望。他推測(cè)在某些時(shí)空內(nèi)描述引力的弦理論方程剛好與描述這個(gè)時(shí)空表面上的量子方程是一樣的。所以，如果你能找到描述這個(gè)時(shí)空表面上的量子方程，你就可以得到一個(gè)可以描述內(nèi)部的引力弦理論方程。

馬爾達(dá)西那的對(duì)應(yīng)關(guān)系是一個(gè)大膽的推測(cè)，但是物理學(xué)家都覺(jué)得它是站得住腳的，盡管目前還沒(méi)有人能嚴(yán)格地證明這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2001年，馬爾達(dá)西那又發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)有趣的聯(lián)系，而這回仍與愛(ài)因斯坦有關(guān)。同樣是1935年，愛(ài)因斯坦再次與羅森合寫了一篇論文，揭露了黑洞的另一個(gè)奇怪的特性。他們發(fā)現(xiàn)，一個(gè)從外表上看起來(lái)如同兩個(gè)獨(dú)立的黑洞的東西，可以在內(nèi)部連接起來(lái)。這個(gè)內(nèi)部連接會(huì)形成一個(gè)穿越時(shí)空的捷徑，這被稱為愛(ài)因斯坦-羅森橋，也就是蟲洞。

蟲洞是什么？

蟲洞是連接兩個(gè)不同時(shí)空的隧道。蟲洞有兩個(gè)洞口，可以在宇宙中分離得很遠(yuǎn)，之間通過(guò)隧道連接起來(lái)，不過(guò)這個(gè)隧道不穿過(guò)正常的空間，而是在更高維度的空間下延伸的，就像一張紙上有一個(gè)洞一樣，這個(gè)洞是三維的。螞蟻可以通過(guò)這個(gè)三維的洞從一個(gè)二維世界到另外一個(gè)二維世界。所以從我們的宇宙中看不到它。盡管蟲洞并沒(méi)有被觀測(cè)到，但廣義相對(duì)論預(yù)言它是存在的。

雖然在科幻作品中經(jīng)常把蟲洞描述成一種可以進(jìn)行星際旅行的工具，但是現(xiàn)實(shí)是殘酷的。以前物理學(xué)家認(rèn)為蟲洞存在的時(shí)間極其短暫，剛剛形成就轉(zhuǎn)瞬即逝，在這么短的時(shí)間內(nèi)任何物質(zhì)都來(lái)不及從一個(gè)洞口穿過(guò)去到達(dá)另一個(gè)洞口。后來(lái)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，除非有大量的一種具有負(fù)平均能量的物質(zhì)（下面簡(jiǎn)稱為“奇異物質(zhì)”）貫穿蟲洞，使得蟲洞打開并維持在穩(wěn)定狀態(tài)下，這樣就允許其他物質(zhì)穿越蟲洞了。而且在實(shí)驗(yàn)中確實(shí)發(fā)現(xiàn)了“奇異物質(zhì)”存在的證據(jù)，不過(guò)含量極少，但打開蟲洞需要極其大量的“奇異物質(zhì)”，例如允許一艘宇宙飛船安全通過(guò)的蟲洞，至少需要大約銀河系發(fā)光物質(zhì)總質(zhì)量100倍的“奇異物質(zhì)”。由此看來(lái)，通過(guò)“奇異物質(zhì)”來(lái)制造可以進(jìn)行星際旅行的蟲洞希望渺茫。

我們常說(shuō)的蟲洞一般指的是宏觀下的一種時(shí)空結(jié)構(gòu)。另外還存在一種微觀下的蟲洞。量子力學(xué)指出時(shí)空中充滿了真空漲落，在普朗克尺度（1.62×10-33厘米）下，真空漲落更加劇烈，如沸騰了一樣，充滿了“量子泡沫”，在這里會(huì)存在許多微小的蟲洞，不過(guò)在這尺寸下的空間結(jié)構(gòu)是不確定的，只能用概率來(lái)描述，而且這里不存在時(shí)間這種概念。

另外，我們還要注意到，蟲洞不僅連接不同空間的兩點(diǎn)，也可能同時(shí)連接不同時(shí)間的兩點(diǎn)，如果穿越這樣的蟲洞，那么就可以穿越時(shí)間回到過(guò)去了，即蟲洞可以拿來(lái)當(dāng)作時(shí)間機(jī)器。不過(guò)一些物理學(xué)家經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，宏觀物質(zhì)在嘗試穿越時(shí)間回到過(guò)去時(shí)，很有可能會(huì)使蟲洞內(nèi)的真空漲落變得異常之大，足以摧毀蟲洞自身，而其中嘗試穿越蟲洞的物質(zhì)也會(huì)隨之毀滅。

量子糾纏和蟲洞

讓我們回到馬爾達(dá)西那，他的計(jì)算表明，如果兩個(gè)黑洞的量子狀態(tài)處于糾纏態(tài)，這兩個(gè)黑洞之間會(huì)形成一種蟲洞。這還不算什么，驚奇的事情在后面：另一些物理學(xué)家通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)處在糾纏態(tài)的微觀粒子之間，也會(huì)形成一種極其微小的蟲洞并把兩個(gè)粒子連接起來(lái)。

這些物理學(xué)家在做此研究計(jì)算時(shí)所使用的工具就是“宇宙全息論”，它廣泛應(yīng)用于量子引力和弦理論中。先舉個(gè)例子，一個(gè)球體是3維的，它的表面邊界就是2維的球面，比球體少了一個(gè)維度。同樣我們可以推測(cè)出存在一個(gè)4維的球體，而它的表面邊界是一個(gè)3維的球面，同樣球面比球體少了一個(gè)維度。球面上的時(shí)空也就是我們所在的時(shí)空。量子力學(xué)是不能與引力相容的，但物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)4維球體中的引力可以很好地與量子力學(xué)融合，并且4維球體上的量子理論與3維球面上的量子理論其實(shí)是同一個(gè)理論的不同表現(xiàn)形式。

一組物理學(xué)家通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，讓一對(duì)處在3維空間下的夸克和反夸克粒子互為糾纏，然后讓它們分別以接近光速的速度反向運(yùn)動(dòng)，這樣它們彼此之間不可能有任何信息傳遞。物理學(xué)家根據(jù)宇宙全息原理，把3維空間當(dāng)作某種4維空間的表面，然后發(fā)現(xiàn)在3維空間中互為糾纏的兩個(gè)粒子之間通過(guò)某種弦狀結(jié)構(gòu)相連，而在4維空間中，這種弦狀結(jié)構(gòu)就變成了一種蟲洞。而另一組物理學(xué)家也做了類似的計(jì)算，不同的是把夸克和反夸克粒子對(duì)處在一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)下，這樣電場(chǎng)會(huì)使得兩個(gè)粒子彼此加速離開，結(jié)果也是一樣的，3維空間下的一對(duì)糾纏粒子通過(guò)4維下的蟲洞相連。

雖然量子糾纏和蟲洞發(fā)生在不同維度下，但是從相關(guān)的數(shù)學(xué)方程來(lái)看，它們是同一種東西。如果這個(gè)理論正確的話，那么這意味著終于揭開了被愛(ài)因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”的秘密。兩個(gè)處于糾纏態(tài)的微觀粒子，正是因?yàn)檫@種微小的蟲洞把它們相連，它們才可能不管相隔多少光年都可以瞬時(shí)相互影響。

量子糾纏這個(gè)概念的提出也是有愛(ài)因斯坦參與的，不過(guò)當(dāng)初愛(ài)因斯坦是拿量子糾纏當(dāng)悖論去否定量子力學(xué)的，而蟲洞概念的提出也是有愛(ài)因斯坦參與的。如果愛(ài)因斯坦知道了量子糾纏和蟲洞的這種聯(lián)系，不知會(huì)做何種感想。

消除“火墻悖論”

之后，一些物理學(xué)家對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步探討。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果你要慢慢地減少黑洞之間的糾纏關(guān)系，直到零為止的話，那么這就像在兩端拉扯一塊口香糖一樣，兩端的距離會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)，之間連在一起的部分會(huì)變得越來(lái)越細(xì)，直到最終發(fā)生斷裂。也就是說(shuō)，隨著糾纏關(guān)系的減少，蟲洞會(huì)越來(lái)越細(xì)，最終會(huì)發(fā)生斷裂，兩個(gè)黑洞變得完全獨(dú)立。反轉(zhuǎn)這個(gè)過(guò)程，即增加糾纏關(guān)系，蟲洞就會(huì)再次形成。

馬爾達(dá)西那又經(jīng)過(guò)幾年的研究，推導(dǎo)出了一個(gè)驚人的結(jié)論。2013年，馬爾達(dá)西那把他提出的一個(gè)簡(jiǎn)單的公式告訴給了他的同行。公式的形式是這樣的：

ER = EPR

ER代表著愛(ài)因斯坦（E）與羅森（R）在1935年寫的介紹蟲洞概念的論文，而EPR代表著愛(ài)因斯坦（E）與波多爾斯基（P）、羅森（R）同年所寫的引入量子糾纏概念的論文。馬爾達(dá)西那的意思是，蟲洞與糾纏可能不過(guò)是同一硬幣的兩個(gè)面，或者說(shuō)是同一物理實(shí)體的兩種不同身份而已。

這種聯(lián)系立刻吸引了許多物理學(xué)家的關(guān)注，因?yàn)樗坪鯐?huì)立刻擺脫掉有關(guān)黑洞的那些令人討厭的悖論。

黑洞“火墻悖論”主要是來(lái)自于糾纏的“一夫一妻制”原則——一個(gè)粒子一次只能與一個(gè)粒子發(fā)生糾纏。這意味著三個(gè)量子系統(tǒng)——一個(gè)在黑洞里面的粒子，一個(gè)在黑洞外面的粒子，第三個(gè)在很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)地方的粒子——不能在同一時(shí)間發(fā)生糾纏。

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，利用ER=EPR就可很容易地解決這個(gè)問(wèn)題。如果在黑洞里面的粒子與在很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)地方的粒子之間通過(guò)一個(gè)蟲洞連接起來(lái)的話，那么它們當(dāng)中的一個(gè)會(huì)是另一個(gè)的未來(lái)版本，也就是說(shuō)它們其實(shí)是同一個(gè)粒子。因此，黑洞里面的粒子實(shí)質(zhì)上只與一個(gè)粒子（那個(gè)在黑洞外的伙伴粒子）發(fā)生了糾纏。在黑洞表面上的不舒服的火墻就沒(méi)有必要存在了，于是悖論就消失了。

認(rèn)識(shí)時(shí)空本性

對(duì)量子糾纏與蟲洞的深入認(rèn)識(shí)，似乎也揭示了時(shí)空的本質(zhì)。物理學(xué)家認(rèn)為，蟲洞是一種時(shí)空結(jié)構(gòu)，而糾纏普遍存在宇宙各處，那么時(shí)空是不是就是因?yàn)榱孔蛹m纏的存在而產(chǎn)生的呢？另外，量子糾纏可以看成為一種信息的存儲(chǔ)形式，那么時(shí)空也是量子信息的一種表現(xiàn)？我們的生活背景不過(guò)是一堆0和1構(gòu)成的信息？

盡管上面這些玄而又玄的推測(cè)很吸引人，但有一些具體的問(wèn)題仍然懸而未決。例如，一對(duì)處在糾纏狀態(tài)的粒子——這在實(shí)驗(yàn)室中是很容易產(chǎn)生的——之間會(huì)被一個(gè)微觀的蟲洞連接起來(lái)嗎？

我們目前還無(wú)法回答這些問(wèn)題。另外，一個(gè)需要說(shuō)明的是，上面所發(fā)現(xiàn)的這個(gè)聯(lián)系只適用于不膨脹的宇宙。現(xiàn)在，一些物理學(xué)家正在嘗試把結(jié)果推廣到我們這種會(huì)膨脹的宇宙之中。

其他一些物理學(xué)家對(duì)這個(gè)聯(lián)系感到不信服，認(rèn)為它有著諸多的問(wèn)題，例如其數(shù)學(xué)不成熟，它似乎還與量子理論有一些矛盾等。不過(guò)，對(duì)于那些參與進(jìn)來(lái)的物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，都感覺(jué)我們最終能找到的量子引力理論應(yīng)該會(huì)遵循ER=EPR的。他們很確信這個(gè)聯(lián)系是最后故事中的一部分，雖然他們?nèi)圆惶宄詈蟮墓适聦?huì)怎樣。