研究人員開(kāi)發(fā)出了一種穿越宇宙的新方法，但這種方法不僅具有無(wú)法言說(shuō)的危險(xiǎn)性，而且速度可能異常緩慢。該方法涉及連接特殊黑洞的蟲(chóng)洞，而這些黑洞很可能一開(kāi)始并不存在。另一方面，這或許還可以解釋信息從一個(gè)點(diǎn)量子傳送到另一個(gè)點(diǎn)時(shí)可能會(huì)發(fā)生什么。

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

蟲(chóng)洞是什么?

賈弗里斯等人的想法解決了一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題：當(dāng)物體進(jìn)入蟲(chóng)洞時(shí)，它需要負(fù)能量才能從另一側(cè)離開(kāi)。在正常情況下，蟲(chóng)洞出口的時(shí)空形狀使其無(wú)法通過(guò)。但在理論上，具有負(fù)能量的物質(zhì)可以克服這個(gè)障礙。然而，在關(guān)于引力和時(shí)空——用來(lái)描述蟲(chóng)洞——的物理學(xué)中，沒(méi)有任何允許這種負(fù)能量脈沖存在的可能。因此，蟲(chóng)洞實(shí)際上是不可能通過(guò)的。

“它只是一種空間連接，但是，如果你試圖穿過(guò)它，它就會(huì)以極快的速度坍縮，以至于你無(wú)法通過(guò)，”賈弗里斯說(shuō)道。

這個(gè)較早的蟲(chóng)洞模型可以追溯到阿爾伯特·愛(ài)因斯坦和納森·羅森(Nathan Rosen)于1935年發(fā)表在《物理評(píng)論》(Physical Review)上的一篇論文。這兩位物理學(xué)家意識(shí)到，在某些情況下，相對(duì)論會(huì)允許時(shí)空極為彎曲，以至于會(huì)形成某種隧道——或者“橋梁”——將兩個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)連接起來(lái)。蟲(chóng)洞因此也被稱(chēng)為“愛(ài)因斯坦-羅森橋”。

愛(ài)因斯坦與羅森在研究引力場(chǎng)方程時(shí)假設(shè)黑洞與白洞(廣義相對(duì)論中性質(zhì)與黑洞相反的區(qū)域)之間通過(guò)蟲(chóng)洞連接，認(rèn)為通過(guò)蟲(chóng)洞可以進(jìn)行瞬時(shí)空間轉(zhuǎn)移或時(shí)間旅行。迄今為止，科學(xué)家還沒(méi)有觀(guān)察到蟲(chóng)洞存在的證據(jù)。

愛(ài)因斯坦和羅森寫(xiě)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(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到黑洞的存在，蟲(chóng)洞的標(biāo)準(zhǔn)圖像就變成了一個(gè)隧道，兩端的開(kāi)口以黑洞的形式出現(xiàn)。然而，按照這一理論，像隧道一樣的蟲(chóng)洞很可能永遠(yuǎn)不會(huì)自然存在于宇宙中;如果存在的話(huà)，那么也會(huì)在任何東西穿過(guò)它之前就轉(zhuǎn)瞬即逝。20世紀(jì)80年代，美國(guó)物理學(xué)家基普·索恩(Kip Thorne)寫(xiě)道，如果施加某種負(fù)能量使蟲(chóng)洞保持打開(kāi)狀態(tài)的話(huà)，或許就能使物體穿過(guò)這個(gè)蟲(chóng)洞。

量子糾纏

賈弗里斯與哈佛大學(xué)的物理學(xué)家高蘋(píng)以及斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家艾倫·沃爾(Aron Wall)一起，開(kāi)發(fā)了一個(gè)利用負(fù)能量的新方法。這種負(fù)能量來(lái)自一個(gè)非常特殊的物理學(xué)領(lǐng)域——量子糾纏。

量子糾纏來(lái)自量子力學(xué)，而不是相對(duì)論。早在1935年，愛(ài)因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基(Boris Podolsky)和納森·羅森在《物理評(píng)論》上發(fā)表了另一篇論文，表明在量子力學(xué)的規(guī)則下，粒子可以彼此“關(guān)聯(lián)”，其中一個(gè)粒子的行為會(huì)直接影響另一個(gè)粒子的行為。

愛(ài)因斯坦、波多爾斯基和羅森認(rèn)為，這種現(xiàn)象證明了他們的量子力學(xué)理論有問(wèn)題，因?yàn)檫@將允許信息在兩個(gè)粒子之間以超過(guò)光速的速度移動(dòng)?，F(xiàn)在，物理學(xué)家知道量子糾纏是真實(shí)存在的，量子隱形傳送幾乎是物理學(xué)研究的常規(guī)部分。

量子隱形傳送的工作原理是這樣的：讓兩個(gè)光子A和B糾纏，然后，把B交給你的朋友帶到另一個(gè)房間;接下來(lái)，用第三個(gè)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(cè)量A和C的組合狀態(tài)——與A、B或C的原始狀態(tài)都不同——并將組合粒子的結(jié)果與在隔壁房間的朋友交流。

在不知道光子B狀態(tài)的情況下，你的朋友就可以利用這些有限的信息來(lái)操縱B，以獲得粒子C在整個(gè)過(guò)程開(kāi)始時(shí)的狀態(tài)。通過(guò)對(duì)B的測(cè)量，她可以在沒(méi)有其他信息的情況下知道C的初始狀態(tài)，換句話(huà)說(shuō)，粒子C的信息從一個(gè)房間傳送到了另一個(gè)房間。

量子隱形傳送很有用，因?yàn)樗梢猿洚?dāng)一種不可破解的代碼，用于將消息從一個(gè)點(diǎn)發(fā)送到下一個(gè)點(diǎn)。量子糾纏不僅僅是單個(gè)粒子的性質(zhì)，較大的物體也會(huì)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(xiě)下這些論文的物理學(xué)家并沒(méi)有意識(shí)到蟲(chóng)洞和量子糾纏之間的聯(lián)系，但在2013年，物理學(xué)家胡安·馬爾達(dá)塞納(Juan Maldacena)和倫納德·蘇斯金德(Leonard Susskind)在《物理學(xué)進(jìn)展》(Progress in Physics)雜志上發(fā)表了一篇論文，將這兩種理論聯(lián)系了起來(lái)。他們認(rèn)為，兩個(gè)完全糾纏在一起的黑洞會(huì)在它們的兩個(gè)空間點(diǎn)之間形成一個(gè)蟲(chóng)洞。他們將這個(gè)想法稱(chēng)為“ER=EPR”，因?yàn)樗鼘?ài)因斯坦-羅森的論文與愛(ài)因斯坦-波多爾斯基-羅森的論文聯(lián)系了起來(lái)。

當(dāng)被問(wèn)及宇宙中是否真的存在兩個(gè)完全糾纏在一起的黑洞時(shí)，賈弗里斯說(shuō)：“不，不，肯定不存在。”這并不是說(shuō)在物理學(xué)上不可能出現(xiàn)這種情況，而是說(shuō)這種情況過(guò)于精確和龐大，以至于無(wú)法在我們這個(gè)混亂的宇宙中產(chǎn)生。出現(xiàn)兩個(gè)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(wú)數(shù)倍。

賈弗里斯表示，如果它們確實(shí)存在，那么當(dāng)?shù)谌齻€(gè)物體與其中一個(gè)黑洞發(fā)生作用時(shí)，它們就會(huì)失去這種完全的相關(guān)性。但是，如果在某個(gè)地方剛好存在這樣一對(duì)黑洞，那么賈弗里斯、高蘋(píng)和沃爾的新方法可能就會(huì)奏效。

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

賈弗里斯稱(chēng)，從他的角度看，他的朋友可能是先跳入一個(gè)蟲(chóng)洞，當(dāng)她接近奇點(diǎn)時(shí)，她會(huì)感受到一股負(fù)能量的“脈沖”，把她推到另一邊去。他表示，這個(gè)方法并不是特別有用，因?yàn)樗偸潜仍趦蓚€(gè)黑洞之間的物理移動(dòng)更慢。不過(guò)，該方法也確實(shí)揭示了宇宙的某些性質(zhì)。

賈弗里斯認(rèn)為，從糾纏粒子之間傳遞的少量信息來(lái)看，類(lèi)似的情況可能正在發(fā)生。他說(shuō)，在單個(gè)量子物體的尺度上，談?wù)摾脮r(shí)空彎曲來(lái)產(chǎn)生蟲(chóng)洞并沒(méi)有什么意義;但是，如果是用更多的粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)稍微復(fù)雜一點(diǎn)的量子隱形傳態(tài)，則蟲(chóng)洞模型突然間就變得很有意義了。有強(qiáng)有力的證據(jù)表明，這兩種現(xiàn)象是相互關(guān)聯(lián)的。

這項(xiàng)研究也有力地表明，丟失在黑洞里的信息可能會(huì)被帶到某個(gè)地方，或許有一天還能被找回。賈弗里斯還表示，如果未來(lái)某一天你不幸掉進(jìn)黑洞，那并不意味著沒(méi)有任何生還的希望。一個(gè)足夠先進(jìn)的文明或許能夠縮放該區(qū)域的宇宙，收集黑洞在億萬(wàn)年的時(shí)間里緩慢釋放的所有霍金輻射，并將這些輻射壓縮成一個(gè)新的黑洞，使其與原來(lái)的黑洞糾纏。一旦新的黑洞出現(xiàn)，就有可能把你從里面救出來(lái)。

賈弗里斯表示，這種在黑洞之間移動(dòng)的方法的理論研究還在進(jìn)行中。不過(guò)，我們的目標(biāo)更多的是理解基礎(chǔ)物理，而不是拯救掉入黑洞的人——當(dāng)然，最好也不要冒這個(gè)險(xiǎn)。