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特別感謝原論文作者高蘋對(duì)本文的指導(dǎo)和支持
眾所周知，本屆的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C布給了對(duì) LIGO 做出過(guò)杰出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家；這其中就包括了加州理工學(xué)院物理系教授、引力研究專家 Kip Thorne。這位教授的學(xué)術(shù)生涯的關(guān)鍵詞，也是我們耳熟能詳?shù)钠娈愄祗w——黑洞。
圖丨加州理工學(xué)院物理學(xué)教授、LIGO 創(chuàng)始人之一 Kip Thorne
除了能釋放引力波，黑洞還曾被過(guò)去不成熟的理論預(yù)測(cè)賦予過(guò)一項(xiàng)神秘的能力，也就是“時(shí)間旅行”。在這項(xiàng)預(yù)言中，黑洞內(nèi)部的一種特殊通道“蟲(chóng)洞”鏈接了未來(lái)和過(guò)去的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而引發(fā)了一系列從未來(lái)回到過(guò)去的悖論。
當(dāng)然，這一問(wèn)題早已經(jīng)被今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者 Kip Throne 教授所解決——他在上世紀(jì)八十年代用量子漲落理論證明，能量的初始條件禁止蟲(chóng)洞鏈接過(guò)去。
雖然有關(guān)黑洞的時(shí)間悖論已被解決，但長(zhǎng)久以來(lái)，還有另一個(gè)對(duì)我們較為陌生的問(wèn)題困擾著科學(xué)家，那就是——黑洞信息悖論。落入黑洞的東西似乎會(huì)消失無(wú)蹤，而量子力學(xué)的原則卻告訴我們，宇宙中的任何信息都不能被擦除。
然而，如今的一項(xiàng)最新理論自洽地解釋了黑洞的信息悖論。畢業(yè)于清華大學(xué)，現(xiàn)在是哈佛大學(xué)博士生高蘋（Ping Gao）、 哈佛大學(xué)博士生Daniel Jafferis，以及斯坦福大學(xué)研究員 Aron Wall 提出一個(gè)新黑洞模型——三位科學(xué)家發(fā)表了論文“Traversable Wormholes via a Double Trace Deformation”。除此之外，普林斯頓大學(xué)教授 Juan Maldacena 也貢獻(xiàn)匪淺。
圖 | 高蘋
高蘋向 DT 君解釋道，按照 ER=EPR（有關(guān)蟲(chóng)洞研究的重要結(jié)論）最早的意思，兩個(gè)遙遠(yuǎn)的量子糾纏的黑洞實(shí)際上由一個(gè)不可穿越的蟲(chóng)洞連接起來(lái)，其推廣版本是：任何一個(gè) EPR 對(duì)（也就是任意兩個(gè)量子糾纏的粒子）都由一個(gè)極其微小的（普朗克尺度的）蟲(chóng)洞連接起來(lái)。這些蟲(chóng)洞是不可穿越的，也就是進(jìn)入一個(gè)黑洞的信息不能直接從另一個(gè)黑洞中跑出來(lái)。所以簡(jiǎn)單看起來(lái)，黑洞依然吃掉了信息。
ER=EPR是一個(gè)光芒四射的等式，它將物理學(xué)的兩大“巨星”連接起來(lái)的：ER指的是“蟲(chóng)洞”，EPR指的是“量子糾纏”。前者源于宏觀層面上宇宙大質(zhì)量物體間關(guān)系的廣義相對(duì)論，后者則擅長(zhǎng)描述微觀粒子間關(guān)系的量子力學(xué)，這兩個(gè)領(lǐng)域從來(lái)都互不相干，科學(xué)家們卻用這個(gè)等式將二者聯(lián)系在一起。
“但是我們的模型提出，只需要在黑洞外做簡(jiǎn)單的量子操作，就可以使蟲(chóng)洞變成可穿越的，然后信息就可以從另一個(gè)黑洞中跑出來(lái)。我們的工作是基于 ER=EPR。如果 ER=EPR 是正確的，那么我們的蟲(chóng)洞提供了一種部分解決信息佯謬的方案，之所以說(shuō)是‘部分’，是因?yàn)槲覀兊哪Ｐ椭荒苡糜诩m纏的黑洞，而不能從任意的黑洞中獲取信息。不過(guò)，這個(gè)模型為進(jìn)一步解決信息佯謬提供了一個(gè)有趣的方向”，高蘋說(shuō)。
想要具體了解他們的這個(gè)模型，我們先回顧一下有關(guān)黑洞的有趣性質(zhì)。
在天體物理中，黑洞是大質(zhì)量恒星在自身引力作用下坍縮的產(chǎn)物。根據(jù)廣義相對(duì)論，黑洞的中心存在一坍縮的奇點(diǎn)，而這神秘的奇點(diǎn)被嚴(yán)實(shí)地裹藏在一層漆黑的“視界”當(dāng)中。就像電影《星際穿越》所講述的那樣，物體在墜入視界瞬間才算消失在了黑洞當(dāng)中，而我們永遠(yuǎn)無(wú)法看透這一層視界，觀測(cè)其中的奇點(diǎn)。
雖然廣義相對(duì)論認(rèn)為任何物體都無(wú)法逃逸黑洞的視界，現(xiàn)代理論卻早已把這個(gè)鐵律打破。1974 年，著名物理學(xué)家史蒂芬霍金得出結(jié)論，黑洞物質(zhì)會(huì)從內(nèi)向外蒸發(fā)，并以現(xiàn)在被稱為“霍金輻射（Hawking radiation）”的粒子形式緩慢從視界上溢出。
這樣一來(lái)問(wèn)題就出現(xiàn)了：如果信息掉入黑洞，它將迎來(lái)什么樣的結(jié)局？
當(dāng)代物理學(xué)的兩大支柱的沖突
面對(duì)這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)代物理學(xué)的兩大支柱、20世紀(jì)的兩個(gè)重要的物理符號(hào)——量子力學(xué)和廣義相對(duì)論——給出了截然相反的答案。
因?yàn)?，根?jù)霍金的計(jì)算，黑洞輻射出的粒子是完全隨機(jī)的，其中不包含與黑洞內(nèi)部有關(guān)的信息，也就是說(shuō)這些信息消失了。
這違反了一個(gè)名為“幺正性（unitarity）”的量子理論的支柱性原則。該原則認(rèn)為，在粒子相互作用中，其包含的信息永遠(yuǎn)不會(huì)無(wú)端消失，只會(huì)變得越來(lái)越繁復(fù)龐大。我們都知道運(yùn)動(dòng)這一過(guò)程存在著方向和快慢，而“方向”、“快慢”、“動(dòng)量”、“振幅”等物理量都是粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所攜帶的信息。在宇宙物質(zhì)隨著時(shí)間的流逝而相互作用后，這些信息可能會(huì)改變，卻不可能無(wú)故消失。
所以，按量子力學(xué)的原則而言，如果宇宙時(shí)光倒流，我們就會(huì)看到事物會(huì)遵照其經(jīng)歷逆變回初始的狀態(tài)。而按照霍金輻射理論，黑洞會(huì)把物質(zhì)整個(gè)吸入之后，會(huì)以隨機(jī)的方式輻射粒子，也就是說(shuō)，黑洞把這些信息“吃掉了”吐出來(lái)的東西也不再包含原來(lái)的信息。
上述的這些沖突就是“黑洞的信息悖論”。
幾乎每個(gè)人都相信幺正性是正確的，這意味著掉入黑洞的信息必須要從黑洞中出來(lái)，而不是淪為隨機(jī)輻射的粒子。但它們?nèi)绾纬鰜?lái)？又會(huì)以什么方式出來(lái)呢？這些還都還是未解之謎。
在過(guò)去五年里，一些理論學(xué)家甚至認(rèn)為黑洞就是一個(gè)空殼；其中最著名的當(dāng)屬加州大學(xué)圣巴巴拉分校教授 Joseph Polchinski，他認(rèn)為黑洞內(nèi)部根本不存在。
但是，主流理論家仍然相信黑洞內(nèi)部空間的存在。但這意味著，他們必須能夠解釋掉入黑洞內(nèi)部的信息如何不受損壞地被“吐出來(lái)”。
蟲(chóng)洞的存在解決黑洞信息悖論
幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家對(duì)黑洞內(nèi)部的狀態(tài)提出過(guò)無(wú)數(shù)基于不同基礎(chǔ)理論的模型，這些模型都有著各式各樣的缺陷。眾所周知，黑洞的內(nèi)部可能存在蟲(chóng)洞，而黑洞本身是蟲(chóng)洞“時(shí)空隧道”的入口。
在該基礎(chǔ)上，高蘋、Daniel Jafferis 以及 Aron Wall 所提出的新型“可穿越蟲(chóng)洞（Traversable Wormhole）”卻就在符合廣義相對(duì)論的前提下，為解決黑洞信息悖論搭建了一個(gè)富有前瞻性的構(gòu)想。
在構(gòu)想中，入蟲(chóng)洞一端的信息能在另一端被復(fù)原。他們?cè)谝粋€(gè)負(fù)彎曲的時(shí)空幾何中設(shè)置了該類蟲(chóng)洞，而這種時(shí)空幾何在通常被用在量子引力理論，雖然并不符合我們宇宙的真實(shí)情況，但只要兩個(gè)黑洞以正確的方式被連接，這種新蟲(chóng)洞就會(huì)在現(xiàn)實(shí)世界中出現(xiàn)。
Jafferis 解釋道：“這兩個(gè)事件（黑洞的連接和新蟲(chóng)洞的出現(xiàn)）必須是因果關(guān)系。如果使其中一個(gè)黑洞的霍金輻射粒子落入另一個(gè)黑洞，這兩個(gè)黑洞之間就會(huì)發(fā)生糾纏，而掉入一個(gè)黑洞的量子信息也會(huì)從另一個(gè)與之相連的黑洞出來(lái)?！?/span>
對(duì)新蟲(chóng)洞的研究初始于 2013 年，當(dāng)時(shí) Jafferis 在韓國(guó)的 Strings 大會(huì)上出席了一個(gè)演講活動(dòng)。當(dāng)時(shí)，普林斯頓大學(xué)高級(jí)研究所物理教授 Juan Maldacena 在會(huì)上發(fā)表了有關(guān)蟲(chóng)洞研究的重要結(jié)論——“ER = EPR”。該理論由 Maldacena 和 Susskin 共同提出。
這個(gè)理論是什么意思呢？
ER 的全稱為 Einstein-Rosen Bridges，意為稱為愛(ài)因斯坦 - 羅森橋，是愛(ài)因斯坦和納森·羅森在研究引力場(chǎng)方程時(shí)提出的，鏈接兩個(gè)不同時(shí)空的狹窄隧道——直白的說(shuō)就是“蟲(chóng)洞”最初的學(xué)名。
而 EPR 則是 Einstein-Podolsky-Rosen pairs（愛(ài)因斯坦 - 波多爾斯基-羅森對(duì)），或“EPR”對(duì)。EPR 對(duì)其實(shí)就是一對(duì)相互糾纏的粒子，這一概念我們都不陌生。愛(ài)因斯坦的著名描述“鬼魅般的超距作用”就出自于對(duì)量子糾纏現(xiàn)象的描述。
這兩個(gè)概念看似毫無(wú)相關(guān)，因?yàn)閻?ài)因斯坦 - 羅森橋是描述大尺度宏觀現(xiàn)象的廣義相對(duì)論的產(chǎn)物，而 EPR 對(duì)則是對(duì)微觀量子行為的理論描述。也許如果不是因?yàn)閷?duì)黑洞的探索，沒(méi)有哪個(gè)天才會(huì)把這兩個(gè)理論聯(lián)系在一起。于是，Maldacena 提出的“ER = EPR”在 2013 年首次在黑洞研究領(lǐng)域把相對(duì)論和量子物理聯(lián)系在了一起，成為了宇宙學(xué)中具有里程碑意義的一個(gè)理論。
在 Maldacena 研究的基礎(chǔ)上，Jafferis 很快意識(shí)到蟲(chóng)洞和糾纏粒子對(duì)的對(duì)等關(guān)系可能在實(shí)質(zhì)上解決黑洞的信息悖論，于是高蘋、Daniel Jafferis 和 Aron Wall 開(kāi)始了新一輪對(duì)蟲(chóng)洞的探索。
蟲(chóng)洞與量子隱形傳態(tài)
經(jīng)過(guò)幾年的努力，他們的工作終于將 ER=EPR 拓展到了量子信息論的層面上，并證實(shí)該理論模型與量子隱形傳態(tài)原理相同。
簡(jiǎn)單而言，他們?nèi)嗽凇癊P=ERP”的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了蟲(chóng)洞模型，說(shuō)明被黑洞洞口吞噬的信息將通過(guò)蟲(chóng)洞從另一端被“吐出來(lái)”，且與量子隱形傳態(tài)的原理相同，從而解決了黑洞信息悖論。也就是說(shuō)，量子糾纏和蟲(chóng)洞很可能是等價(jià)的！
對(duì)于量子隱形傳態(tài)這一名字，想必我們都有所耳聞。今年八月份，我國(guó)科學(xué)家潘建偉團(tuán)隊(duì)就在《自然》發(fā)表了通過(guò)“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的重大突破。簡(jiǎn)單的回顧一下，我們可以用一個(gè)金典思想實(shí)驗(yàn)來(lái)概括所發(fā)生的情況：Alice 和 Bob 分別擁有一對(duì)糾纏粒子中的 a 和 b。有一天，Alice 想傳送一個(gè)量子比特 q 給 Bob，她準(zhǔn)備了 q 和 a 的組合態(tài)，然后對(duì)該組合態(tài)進(jìn)行測(cè)量（將組合態(tài)坍縮為一對(duì)經(jīng)典比特，1 或 0），并將測(cè)量結(jié)果發(fā)送給 Bob。在收到測(cè)量結(jié)果后，Bob 便可參照該結(jié)果在糾纏粒子 b 上重建狀態(tài) q。
于是，量子信息便從一個(gè)地方被傳遞到另一個(gè)地方。更重要的是，回到信息論的層面上，宇宙信息的幺正性得以保留——雖然 A 的量子態(tài)坍縮，卻在其后從 B 的狀態(tài)上呈現(xiàn)了出來(lái)。
把這一概念套用在蟲(chóng)洞模型上來(lái)，這兩個(gè)被蟲(chóng)洞相連的黑洞可以完成與量子信息傳送實(shí)驗(yàn)同樣的事，信息會(huì)穿過(guò)蟲(chóng)洞從另一個(gè)黑洞出去。
假如 Alice 將量子比特 q 投入黑洞 A，然后測(cè)量由該黑洞的霍金輻射產(chǎn)生的粒子，然后再通過(guò)黑洞外部的宇宙將測(cè)量結(jié)果傳給 Bob。一個(gè)由霍金輻射產(chǎn)生粒子從黑洞 B 出來(lái)，收到測(cè)量結(jié)果的 Bob 隨后便可根據(jù)結(jié)果對(duì)該粒子進(jìn)行操作以重建 q。這聽(tīng)起來(lái)像是落入黑洞 A 的粒子從黑洞 B 跑了出來(lái)，而這也是一些物理學(xué)家對(duì)此感到興奮的原因：高蘋，Jafferis 和 Wall 提出的新蟲(chóng)洞允許掉入黑洞的信息被復(fù)原。
對(duì)此，加州理工學(xué)院的黑洞和量子重力專家 John Preskill 表示：“該發(fā)現(xiàn)拯救了我們所說(shuō)的‘黑洞互補(bǔ)性’，這意味著黑洞的內(nèi)部和外部并不是真正的兩個(gè)不同的系統(tǒng)，而只是以兩種互不相同但互補(bǔ)的方式來(lái)觀察同一個(gè)系統(tǒng)。”同時(shí)正如我們之前所討論，新的蟲(chóng)洞還保障了宇宙的幺正性，即信息永遠(yuǎn)不會(huì)丟失。
Preskill 補(bǔ)充道：“無(wú)論什么落入一個(gè)黑洞，最終都會(huì)以令一個(gè)黑洞霍金輻射的形式出來(lái)。在某種意義上，這可以被認(rèn)為是黑洞內(nèi)部的一個(gè)非?；靵y的副本?！?br>
如何更加形象地呈現(xiàn)黑洞與霍金輻射粒子之間的糾纏關(guān)系呢？
在 Maldacena 有關(guān) ER = EPR 的論文中，包括一個(gè)被稱為“章魚(yú)（octopus）”的草圖：一個(gè)帶有類似觸角一樣蟲(chóng)洞的黑洞，導(dǎo)致遠(yuǎn)離自身的霍金輻射粒子被蒸發(fā)掉。論文作者對(duì)此解釋說(shuō)，該草圖說(shuō)明了黑洞與霍金輻射之間的糾纏方式，我們希望這種糾纏會(huì)帶來(lái)黑洞內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的存在。
明顯地，在該幾何構(gòu)想中，每一個(gè)輻射出來(lái)的粒子都與黑洞本身相互糾纏。甚至可以說(shuō)，每個(gè)粒子本身都是一個(gè)微型蟲(chóng)洞，我們可以通過(guò)集體操控這些粒子來(lái)還原從另一端掉入黑洞的信息。加州理工學(xué)院的 Preskill 甚至表示：“至少對(duì)于一個(gè)無(wú)限先進(jìn)的文明來(lái)說(shuō)，通過(guò)操縱黑洞的霍金輻射來(lái)影響黑洞的內(nèi)部是可能的。”
對(duì)此，Maldacena 的合作者 Stanford 表示：“該設(shè)想的提出是為了用蟲(chóng)洞來(lái)恢復(fù)落入黑洞的信息。為此我們要收集黑洞的霍金輻射，并以復(fù)雜的方式對(duì)其進(jìn)行處理。這種復(fù)雜的集合性測(cè)量，能揭示關(guān)于落入黑洞的信息的原貌，這需要在草圖中無(wú)數(shù)的章魚(yú)觸角間創(chuàng)造一個(gè)大型蟲(chóng)洞。然后，所有的信息都將通過(guò)這個(gè)大蟲(chóng)洞進(jìn)行傳遞”。Maldacena 對(duì)此補(bǔ)充道：“簡(jiǎn)而言之，這可能會(huì)為量子力學(xué)帶來(lái)一個(gè)新的，廣義幾何概念（關(guān)于 ER = EPR）。我們認(rèn)為量子引力理論也應(yīng)該遵循這一原則。而在研究中，我們則更多地將其視為一種指導(dǎo)性設(shè)想，而非嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚??！?/span>
“我們的模型對(duì) ER=EPR 還有一個(gè)非常重要的意義，它使得我們能原則上驗(yàn)證這個(gè)猜想”，高蘋說(shuō)。
在了解了這些關(guān)于蟲(chóng)洞的奇異設(shè)想之后，我們不禁為物理定律的完備性和宇宙恰如其分地簡(jiǎn)潔性而驚嘆——原來(lái)宏觀事物可以以如此巧妙的方式與微觀現(xiàn)象相連。也許蟲(chóng)洞和量子糾纏只是一塊硬幣的正反兩面，也許相對(duì)論能與量子場(chǎng)論統(tǒng)一，也許人類有朝一日能剝開(kāi)黑洞視界的鐵幕，去解開(kāi)時(shí)空奇點(diǎn)的迷。
沒(méi)有人知道物理定律將允許人類文明走到何處，但至少我們求索的腳步不會(huì)停歇。
-End-
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