物理学家试破解诡异量子学与时空几何本质

在过去的十年里，量子理论和引力之间的关系研究出现了革命性的时刻。

图片“星际”(2014)中描绘的黑洞可能由虫洞连接，虫洞可能有量子起源。

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2009年初，马克·范·拉姆斯东克决定好好利用他第一次教学后的假期，研究物理学中最深刻的课题之一:量子力学和重力之间的关系。经过一年的分析和与同事的深入讨论，他向《高能物理杂志》提交了一篇论文。

2010年4月，《华尔街日报》回复了他一封拒绝信。一位评论家的评论暗示，加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学的物理学家范·拉姆斯唐克是一个不现实的疯子。

后来，他把这篇文章提交给了《广义相对论和引力》杂志。这一次的回答更好:尽管评委的评论很严厉，杂志的编辑最终还是要求他重写这篇文章。

然而，范·拉姆斯东克已经签署了这篇文章的缩略版本，参加了由马萨诸塞州韦尔斯利重力研究基金赞助的一个著名的年度论文竞赛。在这次比赛中，他的文章不仅获得了第一名，还遇到了一件极具讽刺意味的事情:其中，荣誉包括保证在《广义相对论和引力》杂志上发表这篇文章。最后，该杂志在2010年6月发表了他文章的一个缩略版本。

无比纠结的“纠缠状态”

然而，期刊编辑仍然有理由保持谨慎。在过去的100年里，科学家们没能将量子力学和引力统一起来。量子力学主宰着微观世界——在这个神秘的领域中，原子或粒子可以同时出现在不同的地方，并且可以同时顺时针和逆时针旋转。另一方面，引力科学主宰着宏观世界——从苹果着陆到行星、恒星和星系运动，100年前的11月，阿尔伯特·爱因斯坦在广义相对论中描述了这些。根据这一理论，重力属于几何学:爱因斯坦说，粒子在经过一个大质量物体时会偏离，不是因为它们感觉到重力，而是因为物体周围的时间和空间被扭曲了。

上述两种理论已经被大量实验所证实，但它们所描述的世界是完全不相容的。从评论者的角度来看，范·拉姆斯东克对这种不相容性的解决方案过于古怪。他认为解决这个问题所需要的只是“纠缠态”:许多物理学家认为这种现象是奇异量子世界的极端。

纠缠态允许一个粒子被测量，同时立即知道另一对粒子的状态——不管这对粒子有多远，即使它在银河系的另一边。爱因斯坦真心讨厌纠缠，所以他有了他所谓的著名的“幽灵般的超距离效应”。

但是纠缠态是量子理论的核心。范·拉姆斯东克利用十多年来持有相同观点的物理学家的研究成果，同意这一极具讽刺意味的观点，即尽管爱因斯坦反对，纠缠态可能是几何学和爱因斯坦几何引力理论的基础。"时空只是物质如何纠缠在量子系统中的几何图像."范·拉姆斯东克说。

然而，这一观点远未得到证实，也远非完整的量子引力理论。然而，一些独立的研究得出了同样的结论，并引起了主流理论物理学家的浓厚兴趣。目前，一些应用物理学家正试图通过各种量子计算和量子信息论的现代工具来扩展这种几何纠缠关系。

在过去的十年里，量子理论和引力之间的关系研究出现了革命性的时刻加州斯坦福大学的物理学家巴特洛米耶·捷克说，“我会毫不犹豫地做一分钟。”

没有引力的引力

目前，这项研究的大部分工作是基于物理学家胡安·马尔达西那在1997年所做的工作。马尔代纳目前在新泽西州普林斯顿高等研究院工作。马尔代纳的研究让他思考两个看似完全不同的宇宙模型之间的关系。其中一个宇宙模型与我们生活的空间相似。尽管它不膨胀也不收缩，但它有三维空间，充满了量子粒子，遵循爱因斯坦的引力方程。这个概念被称为反设计空间(ADS)，通常也被称为“点内空间”。另一个模型也充满了基本粒子，但它只有一维，没有重力。它通常被称为边界，这是一个数学定义的膜。它与空间中某一点内的任何给定点相隔无限远，但它完全包围着该点，就像二维气球被三维空气包围一样。边界粒子遵循量子系统方程，即共形场理论(CFT)。

Maldacena发现边界和点内的空间完全相等。就像一个由二维计算机芯片电路编码的计算机游戏的三维图像一样，边界上相对简单的无重力方程包含同样的信息，并描述了一个更复杂的类似方程，该方程支配着点内的空间。

“这看起来不可思议。”范·拉姆斯东克说。马尔达切纳的二元性突然启发了他，这为物理学家提供了一种不用考虑点空间中的引力就能思考量子引力的新方法:也就是说，物理学家只需要观察边界上的等效量子态。在接下来的几年里，许多物理学家开始探索这个想法，所以马尔代纳的论文也成为当前物理学界引用率最高的论文之一。

在这个量子场中，量子关系将所有部分联系在一起，系统中只有一个纠缠态。但是现在范·拉蒙斯顿克很好奇如果边界纠缠被消除，宇宙会发生什么。

他试图用一个数学模型来回答这个问题，这个数学模型是由伊利诺伊大学的数学家Shinsei Ryu和京都大学的理论物理学家Tadashi Takanagi在2006年开发的。最后，他发现当边界的量子纠缠减少到零后，时空会被打乱成混乱的碎片，就像一块口香糖被拉得太远时会发生的情况一样。

由于这个原因，范·拉阿姆斯顿克意识到这种几何，也就是纠缠，是普遍存在的。纠缠只是将时间和空间编织在一起并形成一个完整整体的必要元素——不仅在存在黑洞的星际空间，而且在任何地方都是如此。

“当时我觉得我理解了一个基本问题的一些本质，而这个问题以前从未被解释过。”范·拉姆斯东克回忆道，“本质上，什么是时空。”

隐藏关联

量子纠缠作为一种几何结合体，是范·拉芒斯东克被拒手稿和一等奖手稿的核心。这个概念在许多物理学家中引起了共鸣。但是到目前为止，没有人发现足够的证据，所以这个观点仍然是一个猜想。但是许多独立的推理都支持这一观点。

例如，2013年，斯坦福大学的马尔达切纳和李奥纳特·苏士侃联合发表了一篇相关的猜想文章，他们认为这是为了纪念1935年发表的两篇里程碑式的文章。ER是由爱因斯坦和美国犹太物理学家纳森·罗森共同发表的，并引入了现在被称为“虫洞”的概念:一个穿越时空连接两个黑洞的隧道。(虽然它出现在科幻电影中，但事实上没有真正的粒子能穿过这样的虫洞:这要求粒子的运动速度超过光速，这是不可能的。《电子顺磁共振》由爱因斯坦、罗森和美国物理学家鲍里斯·波多尔斯基共同出版。这是第一篇明确阐述“纠缠”的文章。

马尔代纳和苏斯金德的猜想是，这两个概念不仅在他们的出版年份相互关联。他们说，如果任何两种粒子纠缠在一起，它们将有效地存在于虫洞中。反之亦然，物理学家称之为虫洞的是纠缠。它们只是描述同一潜在现实的不同方式。

目前，没有人清楚这一概念的潜在现实。但是物理学家越来越相信这种联系一定存在。马格达莱纳、苏斯金德和其他科学家一直在测试ER=EPR假说，以确定纠缠和虫洞之间是否存在数学关联——迄今为止，答案是肯定的。

尽管验证这一猜想仍面临各种挑战，但该领域的实践者已经达成共识，他们已经开始瞥见一些实际存在的重要线索。“以前，我不知道空间是由什么构成的。”斯坦福大学的物理学家布莱恩·斯旺格尔说，“那时我甚至不知道这个问题是否有意义。”但现在他说，线索已经变得越来越明显，而这个问题是合理的。"这个问题的答案是我们都理解的。"斯旺格尔说，“它是由纠缠组成的。”

自2009年以来，范·拉姆斯东克已经完成了20多篇关于量子纠缠的文章。他说所有这些文章现在都被杂志接受和发表了。(李冯公主)

中国科学新闻(2015-123第三版国际版)

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