ER=EPR,一個讓愛因斯坦再次驕傲的方程,揭示了一個怎樣的宇宙?

ER=EPR,一個讓愛因斯坦再次驕傲的方程,揭示了一個怎樣的宇宙?

ER=EPR這個被譽為讓愛因斯坦再次感到驕傲的方程究竟描述了什麼?在這個世界裡,引力支配著宇觀星系的運動,量子支配著微觀粒子的運動,智能則支配著人類這種宏觀智慧生命的行動,這三種完全不同尺度的現象,看上去似乎毫無關係,然而現代物理學越來越多的研究卻表明,它們之間可能存在不可忽視的聯繫。

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首先我們要知道,量子糾纏是根據愛因斯坦,為了反駁玻爾為首的哥本哈根學派的量子力學解釋,從而提出的一個稱為EPR悖論設計的思想實驗。即愛因斯坦、波多爾斯基、羅森悖論,三人於1935年5月,在《物理評論》上聯名發表了一篇名為《可以認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎?》的論文。藉此對量子力學提出了強勁的質疑。很少有人知道,愛因斯坦等人根據量子力學設計了精巧的實驗,他們通過高能光子照射特殊晶體,讓特殊晶體的外層電子躍遷兩個能級,然後在回落時放出一對低能光子,也就是說每回落一個能級就會釋放出一個,基於守恆定律,你會發現被放出的一對光子的量子態,存在某些關聯,比如偏振。


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根據哥本哈根學派的解釋來看,這對量子態,即微觀粒子狀態的統稱,在存在關聯的光子被測量到以前,量子態都會呈現出不確定的特性。由於這對光子的量子態存在關聯,這意味著一個光子的狀態被確定的同時,另一個光子的對應量子態也被確定了。


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最近幾十年來,理論物理學家索恩將興趣點從蟲洞研究轉移到了引力波探測,並在2017年,因首次探測到引力波獲得了諾貝爾物理學獎。另外,人們對蟲洞的研究的基本思想,也在近10年發生了顯著的改變,人類甚至可以將蟲洞研究的新思想來源,概括為一個物理公式,也就是由普林斯頓高等研究院,曾因提出ADS/CFT對偶理論名聲大噪的,胡安馬爾達西那和斯坦福大學的倫納德薩斯坎德,在2013年拋出了重磅炸彈ER = EPR。這個公式首次將蟲洞與量子糾纏聯繫在了一起。


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ER的全稱為愛因斯坦-羅森橋,這是愛因斯坦和納森羅森在研究廣義相對論方程時,提出的一種不可穿越的蟲洞,EPR則是愛因斯坦-波多爾斯基-羅森這三位科學家姓名首字母的縮寫,你知道嗎?波多爾斯基是一名俄籍美國物理學家,而EPR在物理中,是指一對相互糾纏的粒子,原本ER與EPR兩個概念是毫無干係的。因為愛因斯坦-羅森橋是描述大尺度宏觀現象的廣義相對論的產物,EPR是對微觀世界的量子糾纏行為的描述。


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要知道,量子糾纏在大尺度上很容易因為退相干而消失,如果我們將黑洞視為量子系統而非經典物體,就有可能會出現,兩個高度糾纏的黑洞組成的系統,當人們對這種糾纏態進行仔細研究後,就會發現這種糾纏態對應的時空,可以看作一個不可穿越的蟲洞連接了兩個黑洞,這就是ER = EPR的真正含義,嚴格來說,ER = EPR不是一個數學或者物理方程式,它更像一個標語,強調著量子糾纏和時空之間存在著深刻的內在聯繫,假設這種聯繫存在,這說明它不僅可以自然而然地,將現代物理學的兩大基石,即廣義相對論和量子力學聯繫起來。此外,它還暗示了量子糾纏,在時空結構的呈現中扮演了重要角色。


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或許你會感到困惑,人們為何要將量子糾纏與蟲洞聯繫在一起。首先我們要明白黑洞的幾個性質,黑洞是彎曲的時空區域,與大家熟知的,相對而言未被扭曲的空間大不相同。其中的一個顯著特徵是人們能夠將它的幾何結構分隔為兩個區域,一個是空間被彎曲,但物體和信息仍能逃離的外部區域,另一個是物質和信息衝進去後,就再也無法逃逸出來的內部區域,因為內部和外部被一個名為事件視界的表面分隔開來。廣義相對論告訴我們,視界只是一個想象出來的表面,當一名宇航員穿越視界之際,他並不會在該區域內感到任何異樣。不同的是,一旦穿過它,這名空間旅行者,將註定被擠壓進一個有著巨大麴率,且無法逃離的區域,其實,黑洞內部相對外部而言,實際上是在未來,因此旅行者無法逃離,所以他無法穿越回過去。


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在愛因斯坦提出廣義相對論的一年後,德國物理學家卡爾史瓦西,找到了愛因斯坦方程的一個最簡單的解,還指出瞭如今被稱為黑洞的天體的概念,你知道嗎?史瓦西計算出的時空幾何結構,尤為出人意料,以至於科學家直到20世紀60年代才真正理解,這個結構描述的其實是連接兩個黑洞的蟲洞,從外部看,兩個黑洞是相距很遠的兩個獨立實體,然而它們竟共有一個內部區域。在1935年的論文中,愛因斯坦和他的合作者內森羅森預料到,這個共有的內部是某種蟲洞,由於當時他們未能完全理解,蟲洞代表的幾何結構,從而使得蟲洞也被稱為愛因斯坦-羅森橋。

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