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连爱因斯坦都想不到,量子纠缠和虫洞可能是一回事

中科院物理所  · 公众号  · 物理  · 2017-11-11 12:14

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。内部和外部被一个名为“事件视界”的表面分隔开来。广义相对论告诉我们,视界只是一个想象出来的表面,当一个宇航员穿越视界的时候并不会在那里感到任何异样。但是一旦穿过它,这个空间旅行者将注定被挤压进一个有着巨大曲率且无法逃离的区域。 (事实上,黑洞内部相对外部而言实际上是在未来,所以旅行者无法逃离,因为他无法穿越回过去。)


在爱因斯坦提出广义相对论仅仅一年后,德国物理学家卡尔·史瓦西 (Karl Schwarzschild) 找到了爱因斯坦方程的一个最简单的解,描述了日后被称为黑洞的天体。史瓦西计算出的时空几何结构是如此的出人意料,以至于科学家直到20世纪60年代才真正理解到,这个结构描述的其实是连接两个黑洞的虫洞。 从外部看,两个黑洞是相距很远的两个独立实体,然而它们共有一个内部区域


在1935年的论文中,爱因斯坦和他的合作者内森·罗森 (Nathan Rosen,当时也在普林斯顿等研究院) 预料到,这个共有的内部其实是某种虫洞 (虽然他们没有完全理解虫洞所代表的几何结构) ,因此虫洞也被称为“爱因斯坦-罗森桥”。


史瓦西的虫洞解与宇宙中自然形成的黑洞不同的地方在于, 前者不包含物质,仅仅是弯曲的时空 。因为有物质存在,自然形成的黑洞只有一个外部区域,而大多数研究者认为一个完整的史瓦西解有两个外部区域,因此这个解是一个与宇宙中的真实黑洞无关的有趣数学结果。但不管怎样,它都是一个有趣的解,物理学家对它的物理解释也很好奇。


史瓦西解告诉我们,连接两个黑洞外部区域的虫洞是随时间变化的:随着时间流逝变长变细,就像把面团拉成面条。同时,在某一点交汇的两个黑洞的视界将迅速分离。事实上,它们分开得如此迅速,以至于我们无法利用这样一个虫洞从一个外部区域旅行到另一个外部区域。换句话,我们可以说 这座桥在我们穿过前就已经坍缩了 在面团拉伸的类比中,桥的坍缩对应于面团被拉伸成面条后,变得无限细。


要着重指出的是,我们所讨论的虫洞与广义相对论中 不允许超光速旅行 的定律是相容的,在这一点上是不同于科幻作品中的那些虫洞的。在科幻电影中,那些虫洞允许在空间中相距遥远的区域之间瞬时传送,比如电影《星际穿越》中的情节。科幻作品经常违反已知的物理定律。


如果一部科幻小说写到了像我们所说的这种虫洞,那么小说描述的场景就会像下面这样。假设有一对年轻的情侣罗密欧 (Romeo) 和朱丽叶 (Juliet) 。他们两边的家庭都反对他们在一起,所以将罗密欧和朱丽叶送到不同的星系,禁止他们旅行。然而这对情侣非常聪明地造出了一个虫洞。从外部看,虫洞看起来像一对黑洞,一个在罗密欧所处的星系,另一个在朱丽叶所处的星系。这对情侣决定跳入他们各自的黑洞。现在,对他们的家庭而言,他们就是跳入黑洞殉情了,永远不会再有消息了。然而外部世界所不知道的是, 虫洞的时空几何结构允许罗密欧和朱丽叶在共有的内部区域相遇 。因此,他们能够幸福地相处一段时间,直到桥坍缩并摧毁内部区域,从而将他们都杀死。


量子纠缠

1935年的另外一篇论文讨论了另一个我们感兴趣的现象——纠缠,这篇论文是爱因斯坦、罗森和鲍里斯·波多尔斯基 (Boris Podolsky,当时也在普林斯顿高等研究院) 合作撰写的。也正是因为这篇论文,三位作者被合称为EPR。在这篇著名的论文中,他们提出, 量子力学允许相距遥远的物体之间存在某种奇特的关联,即纠缠


相距遥远的物体之间的关联也可以出现在经典物理中。想象一下,例如你把一只手套忘在家里,只带了一只出门。在查看口袋前,你并不知道自己带的是左手手套还是右手那只。而一旦你看到带的是右手那只,你马上就能知道落在家里的那只是左手的。但是,纠缠牵涉的是另一种截然不同的关联,这种关联只存在于由量子力学支配的物理量之间,而这些量遵守海森堡不确定性原理。这一原理断言,存在一些成对的物理量,我们不能同时精确地知道它们的值。最著名的例子就是一个粒子的位置和速度: 如果我们精确地测量到它的位置,那么它的速度将变得不确定,反之亦然 。EPR 想知道,如果我们测量一对相距遥远的粒子各自的位置或者速度,那么会发生什么。


EPR所分析的例子涉及两个相同质量的粒子,在一个单一的维度上运动。不妨称呼这两个粒子为R和J,因为我们可以想象它们是罗密欧和朱丽叶测量的两个粒子。我们以某种方式制备这对粒子,使得它们的质心有一个定义明确的位置,我们把它叫做x







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