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當黑洞遇上量子糾纏:掉入黑洞或許也能逃生

2019-04-17     來源:新浪科技

 

研究人員認為,兩個完全糾纏在一起的黑洞會在它們的兩個空間點之間形成一個蟲洞。

  新浪科技訊 北京時間4月17日消息,研究人員開發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點量子傳送到另一個點時可能會發生什么。

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

  蟲洞是什么?

  賈弗里斯等人的想法解決了一個長期存在的問題:當物體進入蟲洞時,它需要負能量才能從另一側離開。在正常情況下,蟲洞出口的時空形狀使其無法通過。但在理論上,具有負能量的物質可以克服這個障礙。然而,在關于引力和時空——用來描述蟲洞——的物理學中,沒有任何允許這種負能量脈沖存在的可能。因此,蟲洞實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,它就會以極快的速度坍縮,以至于你無法通過,”賈弗里斯說道。

  這個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年發表在《物理評論》(Physical Review)上的一篇論文。這兩位物理學家意識到,在某些情況下,相對論會允許時空極為彎曲,以至于會形成某種隧道——或者“橋梁”——將兩個獨立的點連接起來。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方程時假設黑洞與白洞(廣義相對論中性質與黑洞相反的區域)之間通過蟲洞連接,認為通過蟲洞可以進行瞬時空間轉移或時間旅行。迄今為止,科學家還沒有觀察到蟲洞存在的證據。

  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,隨著物理學家逐漸認識到黑洞的存在,蟲洞的標準圖像就變成了一個隧道,兩端的開口以黑洞的形式出現。然而,按照這一理論,像隧道一樣的蟲洞很可能永遠不會自然存在于宇宙中;如果存在的話,那么也會在任何東西穿過它之前就轉瞬即逝。20世紀80年代,美國物理學家基普·索恩(Kip Thorne)寫道,如果施加某種負能量使蟲洞保持打開狀態的話,或許就能使物體穿過這個蟲洞。

  量子糾纏

  賈弗里斯與哈佛大學的物理學家高蘋以及斯坦福大學的物理學家艾倫·沃爾(Aron Wall)一起,開發了一個利用負能量的新方法。這種負能量來自一個非常特殊的物理學領域——量子糾纏。

  量子糾纏來自量子力學,而不是相對論。早在1935年,愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基(Boris Podolsky)和納森·羅森在《物理評論》上發表了另一篇論文,表明在量子力學的規則下,粒子可以彼此“關聯”,其中一個粒子的行為會直接影響另一個粒子的行為。

  愛因斯坦、波多爾斯基和羅森認為,這種現象證明了他們的量子力學理論有問題,因為這將允許信息在兩個粒子之間以超過光速的速度移動。現在,物理學家知道量子糾纏是真實存在的,量子隱形傳送幾乎是物理學研究的常規部分。

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

  在不知道光子B狀態的情況下,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在整個過程開始時的狀態。通過對B的測量,她可以在沒有其他信息的情況下知道C的初始狀態,換句話說,粒子C的信息從一個房間傳送到了另一個房間。

  量子隱形傳送很有用,因為它可以充當一種不可破解的代碼,用于將消息從一個點發送到下一個點。量子糾纏不僅僅是單個粒子的性質,較大的物體也會糾纏,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家并沒有意識到蟲洞和量子糾纏之間的聯系,但在2013年,物理學家胡安·馬爾達塞納(Juan Maldacena)和倫納德·蘇斯金德(Leonard Susskind)在《物理學進展》(Progress in Physics)雜志上發表了一篇論文,將這兩種理論聯系了起來。他們認為,兩個完全糾纏在一起的黑洞會在它們的兩個空間點之間形成一個蟲洞。他們將這個想法稱為“ER=EPR”,因為它將愛因斯坦-羅森的論文與愛因斯坦-波多爾斯基-羅森的論文聯系了起來。

  當被問及宇宙中是否真的存在兩個完全糾纏在一起的黑洞時,賈弗里斯說:“不,不,肯定不存在。”這并不是說在物理學上不可能出現這種情況,而是說這種情況過于精確和龐大,以至于無法在我們這個混亂的宇宙中產生。出現兩個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倍。

  賈弗里斯表示,如果它們確實存在,那么當第三個物體與其中一個黑洞發生作用時,它們就會失去這種完全的相關性。但是,如果在某個地方剛好存在這樣一對黑洞,那么賈弗里斯、高蘋和沃爾的新方法可能就會奏效。

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

  賈弗里斯稱,從他的角度看,他的朋友可能是先跳入一個蟲洞,當她接近奇點時,她會感受到一股負能量的“脈沖”,把她推到另一邊去。他表示,這個方法并不是特別有用,因為它總是比在兩個黑洞之間的物理移動更慢。不過,該方法也確實揭示了宇宙的某些性質。

  賈弗里斯認為,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生。他說,在單個量子物體的尺度上,談論利用時空彎曲來產生蟲洞并沒有什么意義;但是,如果是用更多的粒子來實現稍微復雜一點的量子隱形傳態,則蟲洞模型突然間就變得很有意義了。有強有力的證據表明,這兩種現象是相互關聯的。

  這項研究也有力地表明,丟失在黑洞里的信息可能會被帶到某個地方,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黑洞,那并不意味著沒有任何生還的希望。一個足夠先進的文明或許能夠縮放該區域的宇宙,收集黑洞在億萬年的時間里緩慢釋放的所有霍金輻射,并將這些輻射壓縮成一個新的黑洞,使其與原來的黑洞糾纏。一旦新的黑洞出現,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的方法的理論研究還在進行中。不過,我們的目標更多的是理解基礎物理,而不是拯救掉入黑洞的人——當然,最好也不要冒這個險。

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文章關鍵字: 量子糾纏  黑洞  蟲洞  粒子  物理學家

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