理论物理学充满了令人难以置信的想法，但其中最奇怪的两个是量子纠缠和虫洞。第一个是由量子力学理论预测的，描述了物体（通常是原子或亚原子粒子）之间一种令人惊讶的相关性，这些物体之间没有明显的物理联系。虫洞是由广义相对论预测的，是连接遥远时空区域的捷径。包括我自己在内的几位理论家所做的工作表明，这两个看似不同的概念之间存在联系。基于涉及黑洞的计算，我们意识到量子力学的纠缠和广义相对论的虫洞实际上可能是等价的——对相同现象的不同描述——并且我们相信这种相似性适用于黑洞之外的情况。
这种等价性可能具有深远的意义。它表明时空本身可能从宇宙更基本的微观组成部分的纠缠中涌现出来。它还表明，长期以来被认为彼此之间没有物理联系的纠缠物体，实际上可能以我们想象不到的方式联系在一起。
此外，纠缠和虫洞之间的关系可能有助于发展量子力学和时空的统一理论——物理学家称之为量子引力理论——该理论从支配原子和亚原子领域相互作用的定律中推导出宏观宇宙的物理学。这种理论对于理解宇宙大爆炸和黑洞内部是必要的。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
有趣的是，量子纠缠和虫洞都可以追溯到阿尔伯特·爱因斯坦及其合作者在 1935 年撰写的两篇文章。从表面上看，这些论文似乎处理的是非常不同的现象，爱因斯坦可能从未怀疑过它们之间可能存在联系。事实上，纠缠是量子力学的一个特性，它极大地困扰着这位德国出生的物理学家，他称之为“幽灵般的超距作用”。多么讽刺，它现在可能提供一座桥梁，将他的相对论扩展到量子领域。
黑洞和虫洞
为了解释为什么我认为量子纠缠和虫洞可能相关，我们必须首先描述黑洞的几个特性，这些特性与这个想法密切相关。黑洞是弯曲时空的区域，与我们习惯的相对未扭曲的空间截然不同。黑洞的独特特征是我们可以将其几何形状分为两个区域：外部，空间弯曲，但物体和信息仍然可以逃脱；以及内部，位于不归路之外。内部和外部被一个称为事件视界的表面隔开。广义相对论告诉我们，视界只是一个假想的表面；宇航员穿过它不会在那个位置感觉到任何特殊的东西。但是，一旦穿过它，太空旅行者注定会被挤压到一个曲率巨大的区域，并且无法逃脱。（事实上，与外部相比，内部实际上是在未来，因此旅行者无法逃脱，因为他或她无法穿越到过去。）
就在爱因斯坦提出广义相对论一年后，德国物理学家卡尔·史瓦西找到了爱因斯坦方程的最简单解，描述了后来被称为黑洞的东西。史瓦西提出的几何形状是如此出乎意料，以至于直到 20 世纪 60 年代，科学家们才完全理解它描述的是连接两个黑洞的虫洞。从外部看，黑洞似乎是位于遥远位置的独立实体，但它们共享一个内部。
在 1935 年的一篇论文中，爱因斯坦和他在普林斯顿高等研究院的同事内森·罗森预料到，这个共享的内部是一种虫洞（尽管他们不理解它预测的完整几何形状），因此虫洞也被称为爱因斯坦-罗森（ER）桥。
史瓦西解中的虫洞与宇宙中自然形成的黑洞不同，因为它不包含物质——它仅仅是弯曲的时空。由于物质的存在，自然形成的黑洞只有一个外部。大多数研究人员将完整的史瓦西解及其两个外部视为与宇宙中的黑洞无关的数学奇点。尽管如此，这是一个有趣的解，物理学家们一直在思考它的物理意义。
史瓦西解告诉我们，连接两个黑洞外部的虫洞随时间变化。它随着时间的推移而拉长并变细，就像一块被拉伸的弹性面团。与此同时，曾经接触过的两个黑洞视界迅速分离。事实上，它们拉开得如此之快，以至于我们无法使用这样的虫洞从一个外部旅行到另一个外部。或者我们可以说，桥梁在我们能够穿过它之前就坍塌了。在面团拉伸的类比中，桥梁的坍塌对应于面团在拉伸得越来越多时变得无限薄。
重要的是要注意，我们正在讨论的虫洞与广义相对论定律一致，广义相对论不允许超光速旅行。在这方面，它们与科幻小说中的虫洞不同，科幻小说中的虫洞允许在遥远的空间区域之间进行瞬时传输，就像 2014 年的电影《星际穿越》中那样。科幻小说版本通常违反已知的物理定律。
一个涉及我们这类虫洞的科幻故事可能是这样的。想象一下一对年轻恋人，罗密欧和朱丽叶。他们的家人不喜欢彼此，因此将罗密欧和朱丽叶放在不同的星系中，禁止他们旅行。然而，这对恋人非常聪明，他们设法构建了一个虫洞。从外部看，虫洞看起来像一对黑洞，一个在罗密欧的星系中，一个在朱丽叶的星系中。恋人们决定跳进各自黑洞的内部。现在，根据他们的家人所说，他们只是通过跳进去自杀了，并且再也没有听到他们的消息。然而，不为外界所知的是，虫洞的几何形状是这样的，罗密欧和朱丽叶实际上在共享的内部相遇了！在桥梁坍塌，摧毁内部并杀死他们之前，他们可以幸福地生活一段时间。
来源：Jillian Ditner
量子纠缠
1935 年讨论我们感兴趣的另一个现象——纠缠——的论文是由爱因斯坦、罗森和鲍里斯·波多尔斯基（当时也在高等研究院）撰写的。这三位作者后来被称为 EPR。在这项著名的工作中，物理学家们认为，量子力学允许在遥远的物理物体之间存在某些奇怪的相关性，这种特性直到后来才被称为纠缠。
遥远物体之间的相关性也可能发生在经典物理学中。例如，想象一下你只有一个手套在身上，因为你把另一只忘在家里了。在搜索你的口袋之前，你不知道你拥有的是左手手套还是右手手套。但是，一旦你看到你拥有的是右手手套，你就会立即知道家里的那只手套是左手的。但是，纠缠涉及一种不同的相关性，一种存在于受量子力学支配的量之间的相关性，这些量受海森堡不确定性原理的约束。该原理指出，有些物理变量对不可能同时精确知道。最著名的例子涉及粒子的位置和速度：如果我们精确地测量其位置，则其速度变得不确定，反之亦然。EPR 想知道，如果我们决定测量一对相隔遥远的粒子中单个粒子的位置或速度，会发生什么情况。
EPR 分析的例子涉及两个质量相同的粒子在一维空间中运动。让我们称这些粒子为 R 和 J，因为它们是我们想象罗密欧和朱丽叶测量的粒子。我们可以以这样一种方式制备它们，使它们的质心具有明确的位置，我们将其称为xcm，等于 xR（R 的位置）加上 xJ（J 的位置）。我们可以要求质心等于零——换句话说，我们可以说这两个粒子始终与原点等距。我们还可以使粒子的相对速度 vrel，等于 R 的速度 (vR) 减去 J 的速度 (vJ)，取一个精确值；例如，vrel 等于某个我们可以称为 v0 的数字。换句话说，两个速度之间的差异必须保持不变。我们在这里精确地指定了一个位置和一个速度，但不是针对同一个物体，因此我们没有违反海森堡不确定性原理。如果我们有两个不同的粒子，没有什么可以阻止我们知道第一个粒子的位置和第二个粒子的速度。同样，一旦我们固定了质心的位置，我们就无法说出质心的速度，但我们可以自由地固定相对速度。
在这里，我们得到了最令人惊奇的部分，以及使量子纠缠看起来如此奇怪的事情。假设我们的粒子彼此远离，并且两位遥远的观察者，罗密欧和朱丽叶，决定测量粒子的位置。现在，由于粒子是如何制备的，如果朱丽叶确定了 xJ 的任何特定值，那么罗密欧会发现他的粒子的位置是朱丽叶的粒子的位置的负数 (xR = −xJ)。请注意，朱丽叶的结果是随机的：她的粒子的位置会因测量而异。然而，罗密欧的结果完全由朱丽叶的结果决定。现在假设他们都测量自己粒子的速度。如果朱丽叶得到 vJ 的特定结果，那么罗密欧肯定会发现他的速度是朱丽叶的速度加上相对速度 (vR = vJ + v0)。同样，罗密欧的结果完全由朱丽叶的结果决定。当然，罗密欧和朱丽叶可以自由选择他们将要测量的变量。特别是，如果朱丽叶测量位置，而罗密欧测量速度，他们的结果将是随机的，并且不会显示任何相关性。
奇怪的是，即使罗密欧对他粒子位置和速度的测量受到海森堡不确定性原理的约束，但如果朱丽叶决定测量她的粒子的位置，那么一旦罗密欧知道朱丽叶的测量结果，他的粒子将具有完全确定的位置。速度也将发生同样的情况。看起来好像当朱丽叶测量位置时，罗密欧的粒子立即“知道”它必须具有明确的位置和不确定的速度，而如果朱丽叶测量速度，情况则相反。乍一看，这种情况似乎允许瞬时传输信息：朱丽叶测量位置，然后罗密欧看到他的粒子具有确定的位置，从而推断出朱丽叶测量了位置。然而，罗密欧将无法在不知道朱丽叶测量的位置的实际值的情况下意识到他的粒子具有确定的位置。因此，事实上，由量子纠缠引起的相关性不能用于发送速度快于光速的信号。
尽管已通过实验证实，但纠缠可能仍然只是一种量子系统的深奥特性。然而，在过去的二十年半中，这些量子相关性已导致密码学和量子计算等领域的许多实际应用和突破。
等价性
我们这两种非常不同、奇异的现象——虫洞和纠缠——如何相关？进一步观察黑洞为答案指明了方向。已故的斯蒂芬·霍金在 1974 年证明，量子效应将导致黑洞以热物体辐射的方式发射辐射——证明传统的“没有任何东西可以逃脱黑洞”的说法过于简单。黑洞辐射的事实意味着它们具有温度——一个具有重要影响的概念。
自 19 世纪以来，物理学家们就知道温度源于系统微观组成部分的运动。例如，在气体中，温度来自分子的扰动。因此，如果黑洞具有温度，人们可以预期它们也具有某种微观组成部分，这些微观组成部分共同能够采用各种可能的配置，或所谓的微观状态。我们还认为，至少从外部来看，黑洞应该表现得像量子系统；也就是说，它们应该受到所有量子力学定律的约束。总之，当我们从外部观察黑洞时，我们应该找到一个可以具有许多微观状态的系统，并且它处于任何这些配置中的概率对于所有微观状态基本上是相等的。
由于黑洞从外部看起来像普通的量子系统，因此没有什么可以阻止我们考虑一对纠缠的黑洞。想象一下一对非常遥远的黑洞。每个黑洞都有大量的可能微观量子态。现在想象一对纠缠的黑洞，其中第一个黑洞中的每个量子态都与第二个黑洞的相应量子态相关联。特别是，如果我们测量第一个黑洞的某个状态，则另一个黑洞必须处于完全相同的状态。
有趣的是，基于受弦理论（一种量子引力理论的方法）启发的某些考虑，我们可以论证，一对微观状态以这种方式纠缠的黑洞（即，在所谓的 EPR 纠缠态中）将产生一个时空，其中虫洞（ER 桥）连接两个黑洞的内部。换句话说，量子纠缠在两个黑洞之间创建了几何连接。这个结果令人惊讶，因为我们认为纠缠涉及没有物理连接的相关性。但在这种情况下，两个遥远的黑洞通过它们的内部物理连接，并通过虫洞拉近距离。
斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德和我将虫洞和纠缠的等价性称为“ER = EPR”，因为它将爱因斯坦及其同事在 1935 年撰写的两篇文章联系起来。从 EPR 的角度来看，每个黑洞视界附近的观测结果是相关的，因为黑洞处于量子纠缠状态。从 ER 的角度来看，观测结果是相关的，因为这两个系统通过虫洞连接。
现在，回到我们的罗密欧和朱丽叶科幻故事，我们可以看到恋人应该做什么来形成一对纠缠的黑洞以产生虫洞。首先，他们需要创建许多纠缠粒子对，类似于前面讨论的那些，罗密欧拥有每对纠缠粒子对中的一个成员，朱丽叶拥有另一个成员。然后，他们需要构建非常复杂的量子计算机，这些计算机将操纵他们各自的量子粒子，并以受控方式将它们组合起来，以创建一对纠缠的黑洞。在实践中实现这样的壮举将非常困难，但根据物理定律，这似乎是可能的。此外，我们确实说过罗密欧和朱丽叶非常聪明！
普遍原理？
引导我们得出这些想法的理念是由许多研究人员多年来开发的，最早可以追溯到 1976 年，当时在阿尔伯塔大学的维尔纳·以色列撰写的一篇文章。2006 年，Ryu Shinsei 和 Tadashi Takayanagi（当时都在加州大学圣巴巴拉分校）也发表了关于纠缠和时空几何之间联系的有趣工作。萨斯坎德和我受到了艾哈迈德·阿尔姆海里、唐纳德·马洛夫、已故的约瑟夫·波尔钦斯基和詹姆斯·苏利（当时都在加州大学圣巴巴拉分校）于 2012 年发表的研究的启发。他们发现了一个与纠缠黑洞内部性质相关的悖论。ER = EPR 的思想，即内部是连接黑洞和另一个系统的虫洞的一部分，缓解了这个悖论的某些方面。
尽管我们使用黑洞确定了虫洞和纠缠态之间的联系，但人们很想推测这种联系更普遍——即无论何时我们有纠缠，我们都有一种几何连接。即使在最简单的情况下，当我们只有两个纠缠粒子时，这种期望也应该成立。然而，在这种情况下，空间连接可能涉及微小的量子结构，这些结构不会遵循我们通常的几何概念。我们仍然不知道如何描述这些微观几何形状，但这些结构的纠缠可能会以某种方式产生时空本身。就好像纠缠可以被视为连接两个系统的线索。当纠缠量变得更大时，我们有很多线索，这些线索可以编织在一起形成时空的结构。在这样的图景中，爱因斯坦的相对论方程正在支配这些线索的连接和重新连接；量子力学不仅仅是引力的附加物——它是时空构造的本质。
目前，这种图景仍然是疯狂的猜测，但一些线索指向了它，我们许多物理学家正在追求它的含义。我们相信，看似无关的纠缠和虫洞现象实际上可能是等价的，并且这种等价性为开发量子时空的描述——以及期待已久的广义相对论和量子力学的统一——提供了重要的线索。