爱因斯坦不会高兴的:量子纠缠不但真的存在,还可能是时空的本源

作者: 罗恩·考恩

来源: 《环球科学》

发布日期: 2015-12-02

量子纠缠可能成为时空几何的基础,从而调和量子力学和引力理论之间的矛盾。这一理论由Mark Van Raamsdonk提出,得到了Juan Maldacena和Leonard Susskind等物理学家的支持,并引发了广泛的研究兴趣。

2009年初,决定把第一个公休假的大部分时间用于教学工作后,Mark Van Raamsdonk决心着手研究物理学中最深奥的谜题:量子力学和引力的关系。在同事的协助下,经过一年的辛苦努力后,他终于向Journal of High Energy Physics提交了一篇学术论文。

2010年4月,该期刊拒绝了Van Raamsdonk的文章——因为一名审稿人认为这位来自英属哥伦比亚大学的物理学家是在异想天开。之后,他又把论文提交给General Relativity and Gravitation,结果如出一辙:审稿报告把他批得体无完肤,编辑要求他重写整篇论文。

但在那时,Van Raamsdonk已经提交了论文的精简版本,参加引力研究基金会(Gravity Research Foundation)在马萨诸塞州韦尔斯利举行的一年一度的论文大赛。结果他的论文这个久负盛名的比赛中夺魁。令人讽刺的是,冠军的奖励之一就是在General Relativity and Gravitation上发表。于是论文的精简版最终于2010年6月在这个期刊上发表了。

然而,编辑的谨慎态度是情有可原的,因为近一个世纪以来,还没有人能成功统一量子力学和引力。量子力学主宰着微观世界——在这个世界里,原子或粒子可以同时出现在多个地点,也可以在顺时针旋转的同时逆时针旋转。而引力则统治着宏观的宇宙——从坠地的苹果到行星、恒星和星系的运动——它遵守爱因斯坦一百年前提出的广义相对论。

广义相对论认为,引力是几何化的:粒子在经过大质量物体的时候发生偏转不是因为它们受到了力的作用,而是因为物体旁边的时间和空间都被扭曲了。

这两个理论都得到了无数实验的验证,但它们所描述的现实却完全无法共存。从编辑的角度来看,Van Raamsdonk解决这个矛盾的方法十分奇怪。他认为,调和矛盾只需要一个概念——“纠缠”:即很多物理学家眼中最能体现量子理论的怪异之处的物理现象。量子纠缠使得对一个粒子进行的测量可以立刻决定其伙伴粒子的状态,不论后者在多远的地方——哪怕是银河系的另一端。

爱因斯坦对量子纠缠的观点嗤之以鼻,讽刺这是“幽灵般的超距作用”。但量子纠缠是量子理论的核心思想。在与其观点相同的物理学家十几年来研究工作的基础上,Van Raamsdonk指出,尽管爱因斯坦反对这个概念,但量子纠缠可能是时空几何的基础,因而也有可能是爱因斯坦的几何化引力理论的基础,这真是莫大的讽刺。

这个想法还远未得到证实,而且它也不是一个完整的量子引力理论。但不同物理学家独立研究所得出的结论十分一致,这引起了主流理论学家的极大兴趣。一小批物理学家正在着手扩展这个几何—纠缠关系——他们动用了各种为量子计算和量子信息开发的现代工具。

这些成果大都归功于物理学家Juan Maldacena在1997年公布的一项发现。他现在普林斯顿的高等研究院工作。

Maldacena的研究促使他开始考虑两种看似截然不同的宇宙模型之间的联系。其中一种和我们所处的宇宙没什么不同。虽然它既不膨胀也不缩小,但它有三个维度、充满了量子化的粒子并遵循爱因斯坦的引力方程。这个反德西特空间(AdS)通常被称为体宇宙。另一个宇宙模型中同样也充斥着基本粒子,但它只有两个维度,里面也没有引力。

第二个模型通常被称为边界,它是一张通过数学定义的膜,这层膜距离体宇宙中的任意一点都无限远,却把后者完全包围,就像是二维的气球包裹住了三维的空气。边界上的粒子遵循某种量子系统的方程,即共形场论(CFT)。

Maldacena发现,边界和体宇宙是完全对等的。就像是计算机芯片的二维电路能够编码电脑游戏中的三维图形一样,应用于边界的、相对简单的无引力方程包含的信息和描述的物理原理,都是与应用于体宇宙的复杂方程相同的。

Van Raamsdonk能够用Shinsei Ryu和Tadashi Takanagi在2006年提出的数学工具来回答这个问题。

这两人现在分别就职于伊利诺伊大学香槟分校和日本京都大学基础物理研究所。利用他们的方程,Van Raamsdonk可以建立一个边界上量子场的纠缠在缓慢而又有条不紊地减弱的模型,同时观察该模型中体宇宙的反应,他注意到,体宇宙的时空被逐步拉伸并撕裂了。最终,他发现,把纠缠减少为零会把时空打破成不连续的碎块,就像被拉扯得太长的口香糖。

量子纠缠就像几何胶水一样——这是Van Raamsdonk被驳回却又获奖的论文的核心观点,也是一个在物理学家中引起越来越多共鸣的理论。至今没人能找到确凿的证据,因此这个理论仍然只能被称作猜想。但许多互相独立的理论推导都支持这个猜想。

例如,2013年,Maldancena和斯坦福大学的Leonard Susskind发表了一个相关的猜想。

为了致敬1935年发表的两篇革命性的论文,这个猜想被命名为“ER = EPR”。其中一篇论文“ER”是爱因斯坦和美籍以色列物理学家Nathan Rosen合作撰写的,介绍了如今被称作“虫洞”的现象:一个穿越时空联结两个黑洞的通道。另一篇论文“EPR”是爱因斯坦,Rosen和美国物理学家Boris Podolsky合作撰写的,是第一篇清楚地描述一种量子现象的论文,这个现象现在被称为量子纠缠。

Maldacena和Susskind认为,这两个概念之间的共同点远不止相同的发表日期。他们提出,如果两个粒子因为纠缠而联系起来,那么它们实际上是被虫洞联结起来的。反之亦然:被物理学家称为虫洞的时空结构其实和纠缠是等效的。它们只是同一现实的不同描述方式。

此类研究的前景引起了西蒙斯基金会极大的兴趣——这个位于纽约的慈善团体在8月份宣布他们会在未来至少四年内每年提供250万美元,以帮助研究人员探索引力与量子信息之间的联系。

研究人员仍然面临几大难题。其中之一就是体—边界对偶对我们的宇宙并不适用,真正的宇宙既不静止也没有边界;它在不断膨胀并且看来是无限的。该领域大部分科学家都认为使用Maldacena对偶的计算的确能告诉他们一些与真实宇宙相关的事实,但具体怎样把结论从一种宇宙模型推广到另一个,目前还难以达成共识。另一个难题是纠缠的标准定义只和粒子的瞬间状态有关。而一个完整的量子引力理论必须在图景中加上时间。

尽管困难重重,这个领域的研究者普遍认为他们已经开始抓住了某种真实存在,且极其关键的东西。“我之前不知道空间是由什么构成的,”Swingle说,“甚至不知道这个问题本身也是有意义的。”他说,但现在我们越来越清楚,这个问题确实是意味深长的。“并且这个问题的答案是能被我们所理解的,”Swingle说,“它是由量子纠缠构成的”。

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