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量子纠缠可以创造时空

作者:admin 来源:九龙图库▲六合论坛-六合彩开码-香港六合彩管家婆_小碟单双公式规律 时间:2018-07-31
  量子理论、广义相对论是当今解释现实最为成功的理论,但却互不兼容。随着这两个理论之间的矛盾不断被调和,如今我们也许就处在下一个突破的边缘。粒子、能量、空间、时间,或者任何我们可能认为是最基本物质的东西都不是现实的本质。而关于这个问题的真正答案,我们才刚刚开始窥探到。
 
  现实本质的探索历程
 
  对于构成现实的基本元素,在每个时代都有不同的版本。哲学家德谟克利特(原子论的创始人之一)认为,所有物质都是由原子组成的。而亚里士多德认为现实的本质是土、空气、水和火。在十九世纪末期,人们的关注点转移到了以太上,即所谓光的传播媒介。
 
  然而,在过去的三个世纪中,牛顿重塑了我们对物质组成的认识。他认为现实由三个基本部分构成:时间,有质量的粒子,和一个允许粒子在其中运动的空间。基于这三个基本组成部分,牛顿建立了一套理解宇宙运行原理的体系,并成功地解释了大多数现象。然而,当粒子的运动速度接近光速时,牛顿的理论就捉襟见肘了。
 
  但即使没有这个限制,牛顿的体系也不能解释一切。尽管它描述了万有引力(使得有质量物体在宇宙中运动的吸引力),但却不能解释这种力的本质。除此之外,宇宙之中的其他力也同样神秘,例如电磁力。一直以来,我们对现实本质成分的讨论从未停止(见下图)。
 
  现今,我们迫切地需要将量子理论和广义相对论统一起来。前者是我们对微观世界的最佳描述,而后者是爱因斯坦关于万有引力的天才理论。当我们试图描述黑洞或者大爆炸时,我们需要结合二者,但这看起来却是不可理喻的。
 
  不合理之处在于,量子理论认为力是由离散的量子组成的,但是广义相对论认为万有引力是连续的。目前,所有试图量化万有引力的努力都失败了——但是这些尝试为我们探索两种理论的共同点提供了线索。
 
  上世纪九十年代末,一项革命性的研究改变了我们对于这一问题的认识。当时,胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena)在普林斯顿高等研究院研究弦理论。弦理论企图解决上述两种理论的纠纷:弦理论认为,基本粒子由一维“弦”的振动产生。马尔达西纳通过研究证明:对于一个时空区域,使用弦理论描述其内部的万有引力在数学层面上与一组量子方程等价。这组量子方程描述了该时空区域的边界,但不包括万有引力。我们将他的发现称为“马尔达西纳对偶”。尽管术语听起来非常高深,但这一发现强烈暗示了广义相对论和量子力学之间的联系。
 
       当你展开双手时,你好奇过它们是由什么组成的吗?显而易见,皮肤覆盖着肉体、血液和骨骼。这些身体组织由分子组成,分子由原子组成,原子又由电子、质子和中子构成。而当我们追溯到基本粒子和能量的层面时,才上升到问题的本质。
 
  然而,我们真的已经深入本质了吗?纵观物理学史,在过去的三百多年中,我们一直在探索现实的本质——物质到底是由什么构成的。一次又一次,我们发现比已知更深入的层次。而每突破到一个新的层次,我们对现实的理解就会被刷新。
  量子纠缠创造时空?
 
  这种对偶和另一个物理概念也存在有趣的关联。1935年,爱因斯坦和他的同事纳森·罗森(Nathan Rosen)证明了两个黑洞可以被一段扭曲的时空(“爱因斯坦-罗森桥”,俗称虫洞)连接。2001年,马尔达西纳用他的对偶证明了虫洞产生于两个黑洞量子态的纠缠,即两个黑洞如同幽灵,可以在一定距离外相互影响对方。
 
  2009年,马克·范拉姆斯多克(Mark Van Raamsdonk)在加拿大的不列颠哥伦比亚大学针对这个问题展开进一步研究:改变两个黑洞之间的纠缠度会产生什么结果。他发现,这种改变能够控制虫洞的宽度:当黑洞之间的纠缠度提高,虫洞会变大;当纠缠度降低到一定程度时,两个黑洞之间的关联就会被掐断(如下图)。看来如广义相对论所描述,量子纠缠可以创造时空。
 
  范拉姆斯多克的研究成果使马尔达西纳和他的同事——斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)提出了一个大胆的假说:时空总体上是由纠缠现象产生的。这个假说窥探到了更深层的现实本质。
 
  但这也只是管中窥豹,还没有形成完整的理论。萨斯坎德开始在细节层面进行更多的思考,例如在一个独特的背景——单黑洞体系内,他们的假说如何立足。这些宇宙怪物(黑洞)吞噬物质,并在其体内创造长条形的时空。“量子纠缠值还没有大到能够解释黑洞中发生了什么。” 萨斯坎德表示。
 
  但我们还没有走进死胡同。萨斯坎德表示:“还有另一个超出纠缠限度的因素,即复杂性限度。” 量子系统可以存在于多个不同量子态的叠加中,复杂度随着量子态数量的增加呈指数增长。萨斯坎德认为,黑洞量子复杂度的增加可能与黑洞内部时空的形成有关,尽管他还不知道其背后的原理。
 
  然而,上述理论还有一个根本问题。虽然该理论是由马尔达西纳对偶衍生而来的,但是其数学原理表明,已存在的时空是产生新时空的必要条件。加州理工学院的肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)认为,如果时空的产生不是一个从无到有的过程,我们就不能说其形成与量子现象有关,即使他认为二者存在一些本质上的关联。卡罗尔正试图理解这种关联,但却并没有从马尔达西纳对偶出发。“不然不就是作弊了吗。”他说。
 
  卡罗尔和他的同事采取了另一种方法。他们暂时先不考虑令人迷惑的时间,转而着手研究一种叫做“希尔伯特空间”的抽象数学对象。希尔伯特空间的元素代表了一个量子系统所有可能的量子态。任何一个希尔伯特空间都可以被认为是由更小的希尔伯特空间堆积而成的。卡罗尔的团队研究了各种希尔伯特空间,找到了组成这些空间的更小的空间,并且得到了它们之间的量子纠缠值。随后,他们尝试绘制出这样的一个图像,其中组成希尔伯特空间的小空间之间量子纠缠值越大,它们在图上就离得越近。他们的问题是:这种图像可以再现空间平滑的几何特征吗?
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