当黑洞遇上量子纠缠：掉入黑洞或许也能逃生

北京时间4月17日消息，研究人员开发出了一种穿越宇宙的新方法，但这种方法不仅具有无法言说的危险性，而且速度可能异常缓慢。该方法涉及连接特殊黑洞的虫洞，而这些黑洞很可能一开始并不存在。另一方面，这或许还可以解释信息从一个点量子传送到另一个点时可能会发生什么。

哈佛大学物理学家丹尼尔·贾弗里斯（Daniel Jafferis）于4月13日在美国物理学会的一次会议上描述了这种方法。他表示，这种方法涉及两个相互纠缠的黑洞，它们因此可以跨越时空连接在一起。

虫洞是什么？

贾弗里斯等人的想法解决了一个长期存在的问题：当物体进入虫洞时，它需要负能量才能从另一侧离开。在正常情况下，虫洞出口的时空形状使其无法通过。但在理论上，具有负能量的物质可以克服这个障碍。然而，在关于引力和时空——用来描述虫洞——的物理学中，没有任何允许这种负能量脉冲存在的可能。因此，虫洞实际上是不可能通过的。

“它只是一种空间连接，但是，如果你试图穿过它，它就会以极快的速度坍缩，以至于你无法通过，”贾弗里斯说道。

这个较早的虫洞模型可以追溯到阿尔伯特·爱因斯坦和纳森·罗森（Nathan Rosen）于1935年发表在《物理评论》（Physical Review）上的一篇论文。这两位物理学家意识到，在某些情况下，相对论会允许时空极为弯曲，以至于会形成某种隧道——或者“桥梁”——将两个独立的点连接起来。虫洞因此也被称为“爱因斯坦-罗森桥”。

爱因斯坦与罗森在研究引力场方程时假设黑洞与白洞（广义相对论中性质与黑洞相反的区域）之间通过虫洞连接，认为通过虫洞可以进行瞬时空间转移或时间旅行。迄今为止，科学家还没有观察到虫洞存在的证据。

爱因斯坦和罗森写这篇论文的部分原因是为了排除宇宙中存在黑洞的可能性，但是在那之后的几十年里，随着物理学家逐渐认识到黑洞的存在，虫洞的标准图像就变成了一个隧道，两端的开口以黑洞的形式出现。然而，按照这一理论，像隧道一样的虫洞很可能永远不会自然存在于宇宙中；如果存在的话，那么也会在任何东西穿过它之前就转瞬即逝。20世纪80年代，美国物理学家基普·索恩（Kip Thorne）写道，如果施加某种负能量使虫洞保持打开状态的话，或许就能使物体穿过这个虫洞。

量子纠缠

贾弗里斯与哈佛大学的物理学家高苹以及斯坦福大学的物理学家艾伦·沃尔（Aron Wall）一起，开发了一个利用负能量的新方法。这种负能量来自一个非常特殊的物理学领域——量子纠缠。

量子纠缠来自量子力学，而不是相对论。早在1935年，爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和纳森·罗森在《物理评论》上发表了另一篇论文，表明在量子力学的规则下，粒子可以彼此“关联”，其中一个粒子的行为会直接影响另一个粒子的行为。

爱因斯坦、波多尔斯基和罗森认为，这种现象证明了他们的量子力学理论有问题，因为这将允许信息在两个粒子之间以超过光速的速度移动。现在，物理学家知道量子纠缠是真实存在的，量子隐形传送几乎是物理学研究的常规部分。

量子隐形传送的工作原理是这样的：让两个光子A和B纠缠，然后，把B交给你的朋友带到另一个房间；接下来，用第三个光子C撞击A，这就使A和C纠缠并破坏A和B之间的纠缠。你可以测量A和C的组合状态——与A、B或C的原始状态都不同——并将组合粒子的结果与在隔壁房间的朋友交流。

在不知道光子B状态的情况下，你的朋友就可以利用这些有限的信息来操纵B，以获得粒子C在整个过程开始时的状态。通过对B的测量，她可以在没有其他信息的情况下知道C的初始状态，换句话说，粒子C的信息从一个房间传送到了另一个房间。

量子隐形传送很有用，因为它可以充当一种不可破解的代码，用于将消息从一个点发送到下一个点。量子纠缠不仅仅是单个粒子的性质，较大的物体也会纠缠，尽管它们之间的完美纠缠要困难得多。

纠缠的黑洞可否让人通行？

在1935年写下这些论文的物理学家并没有意识到虫洞和量子纠缠之间的联系，但在2013年，物理学家胡安·马尔达塞纳（Juan Maldacena）和伦纳德·苏斯金德（Leonard Susskind）在《物理学进展》（Progress in Physics）杂志上发表了一篇论文，将这两种理论联系了起来。他们认为，两个完全纠缠在一起的黑洞会在它们的两个空间点之间形成一个虫洞。他们将这个想法称为“ER=EPR”，因为它将爱因斯坦-罗森的论文与爱因斯坦-波多尔斯基-罗森的论文联系了起来。

当被问及宇宙中是否真的存在两个完全纠缠在一起的黑洞时，贾弗里斯说：“不，不，肯定不存在。”这并不是说在物理学上不可能出现这种情况，而是说这种情况过于精确和庞大，以至于无法在我们这个混乱的宇宙中产生。出现两个完全纠缠在一起的黑洞就像中了彩票一样，只是可能性小了无数倍。

贾弗里斯表示，如果它们确实存在，那么当第三个物体与其中一个黑洞发生作用时，它们就会失去这种完全的相关性。但是，如果在某个地方刚好存在这样一对黑洞，那么贾弗里斯、高苹和沃尔的新方法可能就会奏效。

他们的研究结果于2017年12月首次发表在《高能物理杂志》（The Journal of High Energy Physics）上，所阐述的过程类似于：首先让你的朋友进入一对纠缠黑洞的其中一个里面，然后测量从黑洞发出的霍金辐射，里面就包含着黑洞状态的一些信息；接着，把这些信息带到第二个黑洞，并用该信息操纵这个黑洞。这一过程可以很简单，就好比从第一个黑洞向第二个黑洞释放一束霍金辐射。理论上，你的朋友应该会在进入第一个黑洞的同时从第二个黑洞中出来。

贾弗里斯称，从他的角度看，他的朋友可能是先跳入一个虫洞，当她接近奇点时，她会感受到一股负能量的“脉冲”，把她推到另一边去。他表示，这个方法并不是特别有用，因为它总是比在两个黑洞之间的物理移动更慢。不过，该方法也确实揭示了宇宙的某些性质。

贾弗里斯认为，从纠缠粒子之间传递的少量信息来看，类似的情况可能正在发生。他说，在单个量子物体的尺度上，谈论利用时空弯曲来产生虫洞并没有什么意义；但是，如果是用更多的粒子来实现稍微复杂一点的量子隐形传态，则虫洞模型突然间就变得很有意义了。有强有力的证据表明，这两种现象是相互关联的。

这项研究也有力地表明，丢失在黑洞里的信息可能会被带到某个地方，或许有一天还能被找回。贾弗里斯还表示，如果未来某一天你不幸掉进黑洞，那并不意味着没有任何生还的希望。一个足够先进的文明或许能够缩放该区域的宇宙，收集黑洞在亿万年的时间里缓慢释放的所有霍金辐射，并将这些辐射压缩成一个新的黑洞，使其与原来的黑洞纠缠。一旦新的黑洞出现，就有可能把你从里面救出来。

贾弗里斯表示，这种在黑洞之间移动的方法的理论研究还在进行中。不过，我们的目标更多的是理解基础物理，而不是拯救掉入黑洞的人——当然，最好也不要冒这个险。

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