年度訂閱用戶可加入科技英語學(xué)習社區(qū)，每周科技英語直播講堂，詳情查看“閱讀原文”

特別感謝原論文作者高蘋對本文的指導(dǎo)和支持

眾所周知，本屆的諾貝爾物理學(xué)獎頒布給了對 LIGO 做出過杰出貢獻的三位科學(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，黑洞還曾被過去不成熟的理論預(yù)測賦予過一項神秘的能力，也就是“時間旅行”。在這項預(yù)言中，黑洞內(nèi)部的一種特殊通道“蟲洞”鏈接了未來和過去的兩個節(jié)點，從而引發(fā)了一系列從未來回到過去的悖論。

當然，這一問題早已經(jīng)被今年的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者 Kip Throne 教授所解決——他在上世紀八十年代用量子漲落理論證明，能量的初始條件禁止蟲洞鏈接過去。

雖然有關(guān)黑洞的時間悖論已被解決，但長久以來，還有另一個對我們較為陌生的問題困擾著科學(xué)家，那就是——黑洞信息悖論。落入黑洞的東西似乎會消失無蹤，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 也貢獻匪淺。

圖 | 高蘋

高蘋向 DT 君解釋道，按照 ER=EPR（有關(guān)蟲洞研究的重要結(jié)論）最早的意思，兩個遙遠的量子糾纏的黑洞實際上由一個不可穿越的蟲洞連接起來，其推廣版本是：任何一個 EPR 對（也就是任意兩個量子糾纏的粒子）都由一個極其微小的（普朗克尺度的）蟲洞連接起來。這些蟲洞是不可穿越的，也就是進入一個黑洞的信息不能直接從另一個黑洞中跑出來。所以簡單看起來，黑洞依然吃掉了信息。

“但是我們的模型提出，只需要在黑洞外做簡單的量子操作，就可以使蟲洞變成可穿越的，然后信息就可以從另一個黑洞中跑出來。我們的工作是基于 ER=EPR。如果 ER=EPR 是正確的，那么我們的蟲洞提供了一種部分解決信息佯謬的方案，之所以說是‘部分’，是因為我們的模型只能用于糾纏的黑洞，而不能從任意的黑洞中獲取信息。不過，這個模型為進一步解決信息佯謬提供了一個有趣的方向”，高蘋說。

想要具體了解他們的這個模型，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)廣義相對論，黑洞的中心存在一坍縮的奇點，而這神秘的奇點被嚴實地裹藏在一層漆黑的“視界”當中。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中，而我們永遠無法看透這一層視界，觀測其中的奇點。

雖然廣義相對論認為任何物體都無法逃逸黑洞的視界，現(xiàn)代理論卻早已把這個鐵律打破。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。

這樣一來問題就出現(xiàn)了：如果信息掉入黑洞，它將迎來什么樣的結(jié)局？

當代物理學(xué)的兩大支柱的沖突

面對這個問題，當代物理學(xué)的兩大支柱、20世紀的兩個重要的物理符號——量子力學(xué)和廣義相對論——給出了截然相反的答案。

因為，根據(jù)霍金的計算，黑洞輻射出的粒子是完全隨機的，其中不包含與黑洞內(nèi)部有關(guān)的信息，也就是說這些信息消失了。

這違反了一個名為“幺正性（unitarity）”的量子理論的支柱性原則。該原則認為，在粒子相互作用中，其包含的信息永遠不會無端消失，只會變得越來越繁復(fù)龐大。我們都知道運動這一過程存在著方向和快慢，而“方向”、“快慢”、“動量”、“振幅”等物理量都是粒子在運動過程中所攜帶的信息。在宇宙物質(zhì)隨著時間的流逝而相互作用后，這些信息可能會改變，卻不可能無故消失。

所以，按量子力學(xué)的原則而言，如果宇宙時光倒流，我們就會看到事物會遵照其經(jīng)歷逆變回初始的狀態(tài)。而按照霍金輻射理論，黑洞會把物質(zhì)整個吸入之后，會以隨機的方式輻射粒子，也就是說，黑洞把這些信息“吃掉了”吐出來的東西也不再包含原來的信息。

上述的這些沖突就是“黑洞的信息悖論”。

幾乎每個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，而不是淪為隨機輻射的粒子。但它們?nèi)绾纬鰜?？又會以什么方式出來呢？這些還都還是未解之謎。

在過去五年里，一些理論學(xué)家甚至認為黑洞就是一個空殼；其中最著名的當屬加州大學(xué)圣巴巴拉分校教授 Joseph Polchinski，他認為黑洞內(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”。

蟲洞的存在解決黑洞信息悖論

幾個世紀以來，科學(xué)家對黑洞內(nèi)部的狀態(tài)提出過無數(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)部可能存在蟲洞，而黑洞本身是蟲洞“時空隧道”的入口。

在該基礎(chǔ)上，高蘋、Daniel Jafferis 以及 Aron Wall 所提出的新型“可穿越蟲洞（Traversable Wormhole）”卻就在符合廣義相對論的前提下，為解決黑洞信息悖論搭建了一個富有前瞻性的構(gòu)想。

在構(gòu)想中，入蟲洞一端的信息能在另一端被復(fù)原。他們在一個負彎曲的時空幾何中設(shè)置了該類蟲洞，而這種時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情況，但只要兩個黑洞以正確的方式被連接，這種新蟲洞就會在現(xiàn)實世界中出現(xiàn)。

Jafferis 解釋道：“這兩個事件（黑洞的連接和新蟲洞的出現(xiàn)）必須是因果關(guān)系。如果使其中一個黑洞的霍金輻射粒子落入另一個黑洞，這兩個黑洞之間就會發(fā)生糾纏，而掉入一個黑洞的量子信息也會從另一個與之相連的黑洞出來。”

對新蟲洞的研究初始于 2013 年，當時 Jafferis 在韓國的 Strings 大會上出席了一個演講活動。當時，普林斯頓大學(xué)高級研究所物理教授 Juan Maldacena 在會上發(fā)表了有關(guān)蟲洞研究的重要結(jié)論——“ER = EPR”。該理論由 Maldacena 和 Susskin 共同提出。

這個理論是什么意思呢？

ER 的全稱為 Einstein-Rosen Bridges，意為稱為愛因斯坦 - 羅森橋，是愛因斯坦和納森·羅森在研究引力場方程時提出的，鏈接兩個不同時空的狹窄隧道——直白的說就是“蟲洞”最初的學(xué)名。

而 EPR 則是 Einstein-Podolsky-Rosen pairs（愛因斯坦 - 波多爾斯基-羅森對），或“EPR”對。EPR 對其實就是一對相互糾纏的粒子，這一概念我們都不陌生。愛因斯坦的著名描述“鬼魅般的超距作用”就出自于對量子糾纏現(xiàn)象的描述。

這兩個概念看似毫無相關(guān)，因為愛因斯坦 - 羅森橋是描述大尺度宏觀現(xiàn)象的廣義相對論的產(chǎn)物，而 EPR 對則是對微觀量子行為的理論描述。也許如果不是因為對黑洞的探索，沒有哪個天才會把這兩個理論聯(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理論。

在 Maldacena 研究的基礎(chǔ)上，Jafferis 很快意識到蟲洞和糾纏粒子對的對等關(guān)系可能在實質(zhì)上解決黑洞的信息悖論，于是高蘋、Daniel Jafferis 和 Aron Wall 開始了新一輪對蟲洞的探索。

蟲洞與量子隱形傳態(tài)

經(jīng)過幾年的努力，他們的工作終于將 ER=EPR 拓展到了量子信息論的層面上，并證實該理論模型與量子隱形傳態(tài)原理相同。

簡單而言，他們?nèi)嗽凇癊P=ERP”的基礎(chǔ)上擴展了蟲洞模型，說明被黑洞洞口吞噬的信息將通過蟲洞從另一端被“吐出來”，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，量子糾纏和蟲洞很可能是等價的！

對于量子隱形傳態(tài)這一名字，想必我們都有所耳聞。今年八月份，我國科學(xué)家潘建偉團隊就在《自然》發(fā)表了通過“墨子號”實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的重大突破。簡單的回顧一下，我們可以用一個金典思想實驗來概括所發(fā)生的情況：Alice 和 Bob 分別擁有一對糾纏粒子中的 a 和 b。有一天，Alice 想傳送一個量子比特 q 給 Bob，她準備了 q 和 a 的組合態(tài)，然后對該組合態(tài)進行測量（將組合態(tài)坍縮為一對經(jīng)典比特，1 或 0），并將測量結(jié)果發(fā)送給 Bob。在收到測量結(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，量子信息便從一個地方被傳遞到另一個地方。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。

把這一概念套用在蟲洞模型上來，這兩個被蟲洞相連的黑洞可以完成與量子信息傳送實驗同樣的事，信息會穿過蟲洞從另一個黑洞出去。

假如 Alice 將量子比特 q 投入黑洞 A，然后測量由該黑洞的霍金輻射產(chǎn)生的粒子，然后再通過黑洞外部的宇宙將測量結(jié)果傳給 Bob。一個由霍金輻射產(chǎn)生粒子從黑洞 B 出來，收到測量結(jié)果的 Bob 隨后便可根據(jù)結(jié)果對該粒子進行操作以重建 q。這聽起來像是落入黑洞 A 的粒子從黑洞 B 跑了出來，而這也是一些物理學(xué)家對此感到興奮的原因：高蘋，Jafferis 和 Wall 提出的新蟲洞允許掉入黑洞的信息被復(fù)原。

對此，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)拯救了我們所說的‘黑洞互補性’，這意味著黑洞的內(nèi)部和外部并不是真正的兩個不同的系統(tǒng)，而只是以兩種互不相同但互補的方式來觀察同一個系統(tǒng)。”同時正如我們之前所討論，新的蟲洞還保障了宇宙的幺正性，即信息永遠不會丟失。

Preskill 補充道：“無論什么落入一個黑洞，最終都會以令一個黑洞霍金輻射的形式出來。在某種意義上，這可以被認為是黑洞內(nèi)部的一個非?；靵y的副本。”

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，包括一個被稱為“章魚（octopus）”的草圖：一個帶有類似觸角一樣蟲洞的黑洞，導(dǎo)致遠離自身的霍金輻射粒子被蒸發(fā)掉。論文作者對此解釋說，該草圖說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帶來黑洞內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的存在。

明顯地，在該幾何構(gòu)想中，每一個輻射出來的粒子都與黑洞本身相互糾纏。甚至可以說，每個粒子本身都是一個微型蟲洞，我們可以通過集體操控這些粒子來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：“至少對于一個無限先進的文明來說，通過操縱黑洞的霍金輻射來影響黑洞的內(nèi)部是可能的。”

對此，Maldacena 的合作者 Stanford 表示：“該設(shè)想的提出是為了用蟲洞來恢復(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)雜的方式對其進行處理。這種復(fù)雜的集合性測量，能揭示關(guān)于落入黑洞的信息的原貌，這需要在草圖中無數(shù)的章魚觸角間創(chuàng)造一個大型蟲洞。然后，所有的信息都將通過這個大蟲洞進行傳遞”。Maldacena 對此補充道：“簡而言之，這可能會為量子力學(xué)帶來一個新的，廣義幾何概念（關(guān)于 ER = EPR）。我們認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，而非嚴謹?shù)睦碚??！?/span>

“我們的模型對 ER=EPR 還有一個非常重要的意義，它使得我們能原則上驗證這個猜想”，高蘋說。

在了解了這些關(guān)于蟲洞的奇異設(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潔性而驚嘆——原來宏觀事物可以以如此巧妙的方式與微觀現(xiàn)象相連。也許蟲洞和量子糾纏只是一塊硬幣的正反兩面，也許相對論能與量子場論統(tǒng)一，也許人類有朝一日能剝開黑洞視界的鐵幕，去解開時空奇點的迷。

沒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停歇。

-End-