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量子纏結和蟲洞,兩個完全不同的理論是如何關聯的,能時空穿梭?

2024-01-12科學

再過11年,能「穿越時空」的蟲洞概念提出就正好100年了。

如果沒有蟲洞概念,近100年的科幻作品將黯然失色不少。但也正因為蟲洞概念自誕生起,只有理論而沒有實證,科幻作品才能夠對其隨意闡釋,進而影視劇又增色不少。

這一切,應該感謝愛因斯坦和羅森。

(蟲洞的想象圖)

多年來,科學界一直在思考如何將蟲洞從理論變成現實。直到21世紀,有些想法才取得了一定突破,那就是蟲洞和量子纏結,似乎有著某種剪不斷理還亂的關系。

等等!蟲洞是在廣義相對論的基礎上提出來的,而量子纏結所屬的量子力學,本質上又是解釋微觀世界的產物。

一個是大,另一個是小,這兩個怎麽能結合到一起呢? 沒關系,科學家既然說能結合到一起,就肯定能。

至於是怎麽結合到一起的,咱們接著往下看。

不能被證實的蟲洞

蟲洞是愛因斯坦和羅森在1935年提出來的,它不是獨立的概念,而是愛因斯坦在研究黑洞時的附屬物。一些理論文章中說,蟲洞是愛因斯坦重力方程式的解。

當然,起初它沒有「蟲洞」這個名字,愛因斯坦和羅森只是在理論中引申出了一個全新的概念, 為了清晰的定義和解釋它的存在,便把它描述為像橋一樣的結構。

也因此,這一概念最先就叫「愛因斯坦-羅森橋」。等到這一概念誕生20多年後,物理學界才用了另外的名字蟲洞來指代和稱呼它。

既然起初被描述為橋的結構,那麽它的作用顯而易見就是通道。也正因為這一點,後來的各類科幻作品中,為了盡可能簡單明了利用這一概念,便將它跟可隨意穿梭時空的時光機劃上了等號。

當然,科學是科學,科幻是科幻,理論上的蟲洞是連線不同時空的節點,且在廣義相對論的基礎上,由於大質素天體能扭曲時空的特點,蟲洞就類似於時空扭曲後的那個褶皺而存在。

然而根據物理學界多年的研究,這個奇異的節點應該是不能被透過的,尤其是不能被物質透過。也有別的物理學家在此前認為,蟲洞在宇宙中應該不太可能存在。這也可以進一步理解,時空的扭曲是理論上的,在現實中也不會存在。

可不管證實還是懷疑,多年來都沒有實操,哪怕黑洞後來都被科學界證實,且透過天文學技術被發現存在了,可蟲洞依舊若隱若現,好像既存在又不存在。

但幾十年的研究,一直是山重水復和柳暗花明相交的。物理學界後來又提出另外一種理論,物質的能量密度如果處在負一方,同時又是負壓,那麽這種奇特的物質結構就能夠透過蟲洞,進而就意味著蟲洞是可以穿越的。

有了這一理論基礎,科學界似乎不再去爭論蟲洞是否存在,而是進一步推動研究去發現蟲洞在哪裏,或者是利用某種方法和技術,看看是否能制造和開啟蟲洞。

也正是在這個過程中,有的物理學家就發現了量子纏結和蟲洞的某種關聯。

幽靈般的量子纏結

如果說蟲洞是一種真實存在的結構,量子纏結就是一種現象和特征。它不屬於廣義相對論的範疇,而是屬於量子力學。

還在上世紀,關於量子纏結的存在,愛因斯坦曾將其形容為「幽靈行動」。這是因為它表現出的特征,在經典力學等領域都找不到類似的現象,更不可能用廣義相對論去解釋它。

用量子力學去解釋就是, 基本的粒子經過耦合後,相互之間就具備了隨機但又統一的特性。這種特性,無法將粒子一個個去描述和定義,描述其中的任意一個,就等於在描述整體。

哪怕在實體層面,幾個粒子之間已經隔開了很遠的距離,可相互之間依然有關聯和影響。這就被成為量子纏結或者叫量子糾結。

這一現象特質只存在於量子系統內部,理論上它所產生的作用速度是快過光速的。而既然有速度的存在,理論上就會有時間的產生。然而從其他領域闡釋和描述,又說不通或者無法發現這種特征。

正因為這一點,量子纏結不要說在普通大眾心目中,就是在物理學界都相當的神秘。這一定義的名稱,就是近年來在網絡上大火的薛定諤提出來的。

它存在的過程中,不管基本粒子產生怎樣的物理性質,比如偏振、自旋、移動等等,所有粒子都存在關聯性。

通俗一點去理解,就是這種現象好比牽一發而動全身,整個過程不受距離甚至時空的限制。正因為這種特性,多年來在多種領域,圍繞量子纏結的研究不勝列舉。

研究和利用量子纏結本身,其實就是一個不斷豐富起概念和充實理論的過程。雖說套用場景和研究的角度是不同的,可就像在玩一個拼圖的遊戲,不斷去完善它,便能更清晰看到它的全貌。

而量子纏結本身,或者說這個狀態,就像是拼圖的整個過程。構成完整圖畫的整體,是一個個小的圖塊,這些圖塊在拼接過程中所發生的各種變化,都會影響到整個圖畫最後的樣貌。

不拼接,就不知道整個圖畫的全貌,可一旦開始拼接,不管拼接到各種程度,圖畫呈現出來的狀態,無論是否看到就都存在了。

當然,這只是從宏觀角度,相對通俗的去解釋量子纏結過程。而在現實層面,量子纏結整個過程至少在理論上,人是無法用肉眼看到的。

因為從根本上來說,量子力學面對和闡釋的,就是微觀世界,就是我們無法用肉眼看見的部份。

就像你註視一粒米,看起來它小到不起眼,然而在微觀世界裏,構成這粒米的基本粒子無以計數。

也正因為這一點,當廣義相對論中的蟲洞和量子纏結發生觸碰後,人們都會是差異的。

兩個「水火不容」的世界

廣義相對論,一種解釋宏觀宇宙和大尺度空間的理論依據。世界很大,太陽系很大,銀河系乃至宇宙更大。

這麽大的空間,以及空間內所有物質表現出來的現象特征,在廣義相對論的基礎上都能進行描述。

再來看量子力學,它瞄向的是微觀世界,是微觀世界裏,物理現象和物理規則的闡述理論。

簡單理解就是,肉眼看不見的地方和物質,也存在各種物理特征的表現,而且各種表現和規則,與肉眼看到世界的表現有所差異。

至少在理論層面,描述宏觀世界的廣義相對論,無法和闡釋微觀世界的量子力學結合到一起,兩者中有很多理論和現象,科學家都感到困惑。

但就是這種看起來水火不容的情況,卻慢慢的融合在了一起。還在2013年的時候,普林斯頓高等研究院的科學家就表示,量子纏結和蟲洞之間有著某種聯系,在這個基礎上,科學家甚至還發現讓蟲洞現身的辦法。

等到2017年,普林斯頓高等研究院的科學家,與哈佛大學的研究人員展開合作,稱 已經發現了利用量子纏結可以讓蟲洞持續開啟的方法。

簡單理解就是,現實中如果有蟲洞存在,它應該是處於閉合狀態的。而量子纏結的特性,可以讓蟲洞這種結構現身,進而保持長時間開啟的狀態。

因為量子纏結過程中,粒子呈現出來的狀態是具有統一性的,而且不會受到距離限制。這樣一來,當相關聯的兩個粒子,一個處在蟲洞外面,另一個處在蟲洞裏面或者是另一端的話,那麽因為量子纏結現象的存在,進而就會讓蟲洞開啟。

不過研究者也認為,這種方法只能找到微小的蟲洞,難以發現或者開啟更大的蟲洞。但與之相關的研究中,讓科學家在黑洞領域又發現了另外的情況。

當黑洞遇上量子纏結

理論上,蟲洞的研究本就是黑洞研究的延伸。加州大學的科學家就推測,如果處於量子纏結狀態的粒子接近黑洞,那麽接下來會發生什麽呢?

一種推測是,即便是粒子進入了黑洞內部,其整體的特性也不會發生改變。而按照量子力學的觀點,粒子本身無法同時與其他兩個量子存在纏結態,這樣進入黑洞的粒子如果繼續保持纏結態的過程,原先量子力學的基本準則也就無法解釋這種現象了。

隨之又有科學家提出另外觀點,黑洞邊界周圍有一道類似火墻的物質。才導致進入其中的粒子,其纏結狀態特性被破壞掉了。

在物理學領域,這被稱為黑洞火墻悖論。假設這個觀點存在的話,以前所說量子纏結狀態不可被破壞,也就被打破了。

甚至有理論進一步研究認為, 假設將黑洞周圍和內部的粒子都收集起來,由此整個黑洞本身就處於纏結狀態。

接下來,如果把外部的粒子讓其形成另外的黑洞,由此新產生的黑洞和原來的黑洞,也就處於纏結狀態了。 在這種狀態下,黑洞會跟奇異點的蟲洞連線。

當然,上述的一切都是理論,在現實世界既無法證實,迄今為止也沒有任何發現。

結語

至於說根據理論是去創造蟲洞,目前來看,相關研究只是利用負能量的沖擊波,透過量子處理器開啟了蟲洞的空間,而不是憑空制造出了蟲洞。

這樣一來,似乎是在說,蟲洞似乎無處不在。可就相關的研究進展看,依然是理論基礎假設居多,實操還不存在。包括上面提到的黑洞和量子纏結以及蟲洞表現出的某種相似性,同樣也只是科學家的理論。

雖然圍繞這一領域的研究,多年來一直是相當熱門的,可未來的理論究竟能延伸到哪裏,是否真能證實蟲洞的存在並開啟它,現在都還是未知的。

至於科幻領域對蟲洞的描述,只要腦洞夠大,什麽不能實作呢。