【科技】爱因斯坦不会高兴的：量子纠缠不但真的存在还可能是时空的本源

2016-08-01 11:16:01 /故事大全

【科技】爱因斯坦不会高兴的：量子纠缠不但真的存在，还可能是时空的本源[3p]

2015-11-30 18:16:37

撰文罗恩·考恩（Ron Cowen）

翻译杨一森

审校韩晶晶

2009年初，决定把第一个公休假的大部分时间用于教学工作后，Mark Van Raamsdonk决心着手研究物理学中最深奥的谜题：量子力学和引力的关系。在同事的协助下，经过一年的辛苦努力后，他终于向Journal of High Energy Physics提交了一篇学术论文。

2010年4月，该期刊拒绝了Van Raamsdonk的文章——因为一名审稿人认为这位来自英属哥伦比亚大学的物理学家是在异想天开。

之后，他又把论文提交给General Relativity and Gravitation，结果如出一辙：审稿报告把他批得体无完肤，编辑要求他重写整篇论文。

但在那时，Van Raamsdonk已经提交了论文的精简版本，参加引力研究基金会（Gravity Research Foundation）在马萨诸塞州韦尔斯利举行的一年一度的论文大赛。结果他的论文这个久负盛名的比赛中夺魁。令人讽刺的是，冠军的奖励之一就是在General Relativity and Gravitation上发表。于是论文的精简版最终于2010年6月在这个期刊上发表了。

然而，编辑的谨慎态度是情有可原的，因为近一个世纪以来，还没有人能成功统一量子力学和引力。量子力学主宰着微观世界——在这个世界里，原子或粒子可以同时出现在多个地点，也可以在顺时针旋转的同时逆时针旋转。而引力则统治着宏观的宇宙——从坠地的苹果到行星、恒星和星系的运动——它遵守爱因斯坦一百年前提出的广义相对论。广义相对论认为，引力是几何化的：粒子在经过大质量物体的时候发生偏转不是因为它们受到了力的作用，而是因为物体旁边的时间和空间都被扭曲了。

这两个理论都得到了无数实验的验证，但它们所描述的现实却完全无法共存。从编辑的角度来看，Van Raamsdonk解决这个矛盾的方法十分奇怪。他认为，调和矛盾只需要一个概念——“纠缠”：即很多物理学家眼中最能体现量子理论的怪异之处的物理现象。量子纠缠使得对一个粒子进行的测量可以立刻决定其伙伴粒子的状态，不论后者在多远的地方——哪怕是银河系的另一端。

爱因斯坦对量子纠缠的观点嗤之以鼻，讽刺这是“幽灵般的超距作用”。但量子纠缠是量子理论的核心思想。在与其观点相同的物理学家十几年来研究工作的基础上，Van Raamsdonk指出，尽管爱因斯坦反对这个概念，但量子纠缠可能是时空几何的基础，因而也有可能是爱因斯坦的几何化引力理论的基础，这真是莫大的讽刺。“时空”，他说，“只是表现量子系统中物质纠缠方式的一幅几何图形”。

这个想法还远未得到证实，而且它也不是一个完整的量子引力理论。但不同物理学家独立研究所得出的结论十分一致，这引起了主流理论学家的极大兴趣。一小批物理学家正在着手扩展这个几何—纠缠关系——他们动用了各种为量子计算和量子信息开发的现代工具。

“这一点毫无疑问”，斯坦福大学的物理学家Bart?omiej Czech说道，“融合量子理论和引力理论的进展在过去十年间是革命性的”。

脱离引力来解释引力

这些成果大都归功于物理学家Juan Maldacena在1997年公布的一项发现。他现在普林斯顿的高等研究院工作。Maldacena的研究促使他开始考虑两种看似截然不同的宇宙模型之间的联系。其中一种和我们所处的宇宙没什么不同。虽然它既不膨胀也不缩小，但它有三个维度、充满了量子化的粒子并遵循爱因斯坦的引力方程。这个反德西特空间（AdS）通常被称为体宇宙。另一个宇宙模型中同样也充斥着基本粒子，但它只有两个维度，里面也没有引力。第二个模型通常被称为边界，它是一张通过数学定义的膜，这层膜距离体宇宙中的任意一点都无限远，却把后者完全包围，就像是二维的气球包裹住了三维的空气。边界上的粒子遵循某种量子系统的方程，即共形场论(CFT)。

Maldacena发现，边界和体宇宙是完全对等的。就像是计算机芯片的二维电路能够编码电脑游戏中的三维图形一样，应用于边界的、相对简单的无引力方程包含的信息和描述的物理原理，都是与应用于体宇宙的复杂方程相同的。

“这有些令人感到不可思议”，Van Raamsdonk说。他提到，突然之间，Maldacena所述的对偶性给了物理学家一个完全不需要考虑传统意义上的引力，就可以探讨体宇宙中的量子引力理论的方法：他们只需要观察边界上的等效量子态。自从该理论提出以来，太多的科学家争相探索这个想法，以至于Maldacena的论文变成了物理学中引用次数最多的论文之一。

Van Raamsdon就是众多热心科学家中的一个，他在公休假中开研究Maldancena的发现所带来的一个核心谜题：边界上的量子场到底是如何在体宇宙中产生引力的呢？其实早就有线索表明这其中的答案就隐藏在几何学与量子纠缠之间的某种联系里。但现在这些线索的真实性还不得而知：所有循着这个思路开展的相关工作研究的都是某个特例，比如有着黑洞的体宇宙。因此Van Raamsdonk决定解开这个谜团，并搞清楚这个关系是否真的普遍存在，还是只是一个数学的巧合。

他最初考虑了空的体宇宙，这对应着边界上的单量子场。这个场，以及将其各部分维系在一起的量子关系包含了系统中仅有的纠缠。但现在，Van Raamsdonk想知道，如果边界上的纠缠消失了，这个体宇宙会变成怎样呢？

Van Raamsdonk能够用Shinsei Ryu和Tadashi Takanagi 在2006年提出的数学工具来回答这个问题。这两人现在分别就职于伊利诺伊大学香槟分校和日本京都大学基础物理研究所。利用他们的方程，Van Raamsdonk可以建立一个边界上量子场的纠缠在缓慢而又有条不紊地减弱的模型，同时观察该模型中体宇宙的反应，他注意到，体宇宙的时空被逐步拉伸并撕裂了（见“时空的量子连接”）。最终，他发现，把纠缠减少为零会把时空打破成不连续的碎块，就像被拉扯得太长的口香糖。

Van Raamsdonk意识到，几何与纠缠的关系是普遍存在的。纠缠是时空交织成一个平滑整体的必要元素——不仅仅是在黑洞这样的特殊的案例中，任何情况下都是如此。

“我觉得，对于一个基本问题，我已经理解了此前或许没人能够理解的东西”，他回忆道，“时空的本质是什么？”

量子纠缠与爱因斯坦

量子纠缠就像几何胶水一样——这是Van Raamsdonk被驳回却又获奖的论文的核心观点，也是一个在物理学家中引起越来越多共鸣的理论。至今没人能找到确凿的证据，因此这个理论仍然只能被称作猜想。但许多互相独立的理论推导都支持这个猜想。

例如，2013年，Maldancena和斯坦福大学的Leonard Susskind发表了一个相关的猜想。为了致敬1935年发表的两篇革命性的论文，这个猜想被命名为“ER = EPR”。其中一篇论文“ER”是爱因斯坦和美籍以色列物理学家Nathan Rosen合作撰写的，介绍了如今被称作“虫洞”的现象：一个穿越时空联结两个黑洞的通道。（尽管科幻电影常把虫洞当做宇宙旅行的捷径，但事实上没有粒子能够穿越这样的虫洞，因为只有以超光速运动才能做到这点，而这是不可能的）。另一篇论文“EPR”是爱因斯坦，Rosen和美国物理学家Boris Podolsky合作撰写的，是第一篇清楚地描述一种量子现象的论文，这个现象现在被称为量子纠缠。

Maldancena和Susskind认为，这两个概念之间的共同点远不止相同的发表日期。他们提出，如果两个粒子因为纠缠而联系起来，那么它们实际上是被虫洞联结起来的。反之亦然：被物理学家称为虫洞的时空结构其实和纠缠是等效的。它们只是同一现实的不同描述方式。

没人知道隐藏在背后的现实到底是什么。但物理学家越来越相信它的确存在。Maldacena、Susskin和其他人正在测试ER = EPR这个假设，看它和其他被认为与虫洞和纠缠相关的东西在数学上是否一致——目前来说，答案是肯定的。

隐藏的联系

其他支持几何—纠缠关系的理论推导来自于凝聚态物理学和量子信息理论，在这些领域中，量子纠缠都处于中心位置。这使得这些领域的研究者能用一系列新颖的概念和数学工具来研究量子引力。

例如，张量网络是凝聚态物理学家追踪大量亚原子粒子量子态的技术。Brian Swingle在2007年使用了这个方法。他当时是麻省理工学院的研究生，正在计算电子在固体中的群体相互作用的。他发现大多对计算有用的网络都是从联系相邻的电子对开始的，这些相邻电子对也比其他电子更容易相互作用。接着，再把越来越多的电子联系起来，形成一个像族谱一样的层级结构。但那时，在一节有关量子场的课上，Swingle学习到Maldacena的体-边界对偶，并发现了一个有趣的现象：体和边界的映射展现了一模一样的树形网络。

Swingle想知道，这些共同点是否不仅仅是巧合，而是有更深层次的原因。2012年，他发表了一篇文章，计算了其中的原委：他独立地得出了与Van Raamsdonk类似的结论，也因此为几何—纠缠理论提供了强有力的证据。“你可以认为空间是通过张量由量子纠缠精确构建而成的，”Swingle说道。他现在在斯坦福大学，并看着张量网络逐渐成为探索几何—纠缠等效关系的常用工具。

另一个跨界支持的重要例子是量子纠错代码理论。物理学家发明了这一理论来帮助构建量子计算机。这些机器不用比特，而是用量子比特来编码。量子比特实际上就是量子态，比如电子的自旋向上或是向下，它能同时取值为1和0。理论上来说，当量子比特相互作用并以正确的方式纠缠时，量子计算机能实现普通计算机穷尽宇宙一生的时间也无法完成的计算。但事实上，这一过程十分脆弱：任何微小的外界扰动都能破坏纤弱的量子纠缠，从而毁掉量子计算的一切可能性。

这需要新颖的量子纠错代码，一个能修补量子比特之间崩溃的联结并使其更加稳固的数字策略。这些代码的特征之一是它们永远是“非局域”的：恢复任何量子比特的必要信息都得遍布空间的各个角落。不然的话，一个地方的损坏可能毁掉所有的恢复进程。这种非局域性的特点对量子信息理论学家来说有一种超凡的魅力，这种魅力和他们第一次听说Maldacena的体—边界对偶时的感觉是一样的：后者也表现出一种极其相似的非局域性。体中一个小部分对应的信息会广泛分布在边界上。

“任何人都可能注意到反德西特/共形场论对偶与量子纠错代码之间有种模糊的相似性。”麻省理工学院的计算机科学家Scott Aaronson说。但在6月发表的一篇文章中，以哈佛大学Daniel Harlow和加州理工学院John Preskill为首的物理学家的观点甚至更进一步：Maldacena对偶自己就是一种量子纠错代码。他们在一个简单模型中证明了这个理论在数学上是正确的，并正在试图把这一理论扩展到更一般的情况下。

“多年以来，人们一直在说，量子纠缠对体宇宙的形成有某种重要作用，”Harlow说，“但这是我们第一次瞥见其方式和原因”。

超越纠缠

此类研究的前景引起了西蒙斯基金会极大的兴趣——这个位于纽约的慈善团体在8月份宣布他们会在未来至少四年内每年提供250万美元，以帮助研究人员探索引力与量子信息之间的联系。“信息理论为思考基础物理问题提供了有力的工具”，Patrick Hayden说，他在斯坦福大学领导这个研究项目。他补充，西蒙斯基金会的赞助将帮助世界各地14个学术机构的16名科学家，以及许多学生和博士后，并且会支持一系列研讨会和假期学校。最终，他们的主要目的之一是建立一个完善的词典，从而让几何概念与量子语言可以互通。这能帮助物理学家找到通往完整量子引力理论的道路。

研究人员仍然面临几大难题。其中之一就是体—边界对偶对我们的宇宙并不适用，真正的宇宙既不静止也没有边界；它在不断膨胀并且看来是无限的。该领域大部分科学家都认为使用Maldacena对偶的计算的确能告诉他们一些与真实宇宙相关的事实，但具体怎样把结论从一种宇宙模型推广到另一个，目前还难以达成共识。

另一个难题是纠缠的标准定义只和粒子的瞬间状态有关。而一个完整的量子引力理论必须在图景中加上时间。“纠缠是理论的一个重要环节，但不能代表整个理论”，Susskind解释道。

他认为物理学家可能得依靠另一个量子信息理论中的概念：计算复杂性，即构建系统量子态的必要逻辑步骤（操作）的数量。一个复杂性较低的系统就像一个量子比特几乎全为零的量子计算机：容易定义也容易建造。而复杂性较高的系统就像一组编码了需要极长计算时间的数字的量子比特。

当十年前Susskind注意到爱因斯坦广义相对论方程的一个解能让反德西特空间中的虫洞随时间不断延长后，他就开始思考计算复杂性。他思索着，这到底对应着边界中的什么东西呢？边界上发生了什么样的改变？Susskind知道这一定不是纠缠，因为在边界上让不同粒子之间产生纠缠的联系在不到一秒之内就会达到饱和。然而，在去年发表的一篇文章中，他和现任职于高等研究院的Douglas Stanford展示了，随着时间的推移，边界中的量子态的变化方式精确地符合计算复杂性的预期。

“黑洞内部的增长就是计算复杂性的增长，这个构想变得越来越令人信服”，Susskind说道。他还说，如果量子纠缠把空间的碎片交织起来，那计算复杂性可能是空间增长的动力——也因此带来了时间这一难以捉摸的元素。他正在着手探索的一种可能推论就是，宇宙膨胀和计算复杂性的增长有着某种联系。另一个可能推论是，因为黑洞的内部就是量子引力主导的区域，计算复杂性可能在完整的量子引力理论中扮演着重要角色，。

尽管困难重重，这个领域的研究者普遍认为他们已经开始抓住了某种真实存在，且极其关键的东西。“我之前不知道空间是由什么构成的，”Swingle说，“甚至不知道这个问题本身也是有意义的。”他说，但现在我们越来越清楚，这个问题确实是意味深长的。“并且这个问题的答案是能被我们所理解的，”Swingle说，“它是由量子纠缠构成的”。

至于Van Raamsdonk，自从2009年来，他已经撰写了大概20篇有关量子纠缠的论文。他说，所有的文章都成功发表了。

原文链接：

//wsw.nature.com/news/the-q … -space-time-1.18797

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