理论中的洞 我们的故事从一个多世纪前开始。 1915年11月，爱因斯坦提出了广义相对论场方程，推翻了经典的引力概念。广义相对论认为，宇宙中的一切引力现象，不管是苹果从树上掉下来，还是遥远星系的旋转，都是所处的时空发生了弯曲而引发的。引力被看成了时空弯曲的体现，而不是两个天体质量的相互吸引。 一个多世纪来，广义相对论经受了越来越精细的天文观测的考验，然而，物理学家们对它的怀疑却逐渐增加。这个理论把时空描述为连续光滑的背景。当大量物质聚集在一个很小的地方时，可能把这里的时空弯曲得如此严重，会产生一个黑洞——一个具有超强引力的时空结构，以至于几乎没有什么物质可以从中逃离出去。这时，问题就来了。 黑洞虽然是广义相对论早期的一个预言。但是在20世纪70年代，以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦和英国物理学家斯蒂芬·霍金借助于量子理论，推导出一个关于黑洞的奇怪结果：黑洞既有温度，也有熵。熵是衡量系统混乱程度的物理量，一个系统越混乱，熵也就越高。 但是，如果黑洞只是光滑时空的极端结构，那么它应该没有任何子结构啊，哪儿来的熵呢？许多物理学家认为，引入量子力学而产生的这个矛盾表明，爱因斯坦的理论并不是完整的，也就是说它不是现实的完全写照。 鬼魅般的超距作用 但爱因斯坦并不这么认为，他反过来指控量子理论是不完整的。而且在1935年，爱因斯坦与他的同事鲍里斯·波多尔斯基、纳森·罗森一起发表了一篇论文，揭露了他们所找到的量子理论中最大的谬论。他们发现，量子理论可以推导出两个粒子可以瞬时彼此影响的怪异现象，即使它们各在宇宙的一端——这就是＂量子纠缠＂现象。在爱因斯坦看来，这是极不合理的，肯定是量子理论中缺失了什么导致的。 根据量子力学，一个粒子可以同时处在一种或多种状态之下，比如一个粒子的自旋方向可以处在顺时针或逆时针状态，或者同时处在顺时针和逆时针状态，但具体处在什么状态却只能使用概率来描述。不过一旦对粒子进行测量，粒子的自旋方向就会确定是顺时针还是逆时针。 如果两个粒子处于纠缠态，它们的自旋方向是互相关联的。比如刚产生的一对虚粒子互为纠缠，而且要满足角动量守恒为零，那么它们的自旋方向必须相反，对第一个粒子进行测量并发现是顺时针，那么另一个粒子自旋状态瞬间就变成逆时针，即使它们相隔数万光年。 量子纠缠是量子理论中最为诡异的现象，它实在是太不可思议，难怪被爱因斯坦称为＂鬼魅般的超距作用＂。但它也经受住了严格的实验检验，有些都比检测广义相对论设计的更为精确。 两个都经过严格检验的现代物理学基础理论的矛盾继续无解，如果把量子纠缠应用到黑洞那里，并仍继续用广义相对论来分析，会产生极为不愉快的结果：信息在黑洞里面似乎被摧毁了。而根据量子物理，信息是不能被摧毁的。如果信息真的不能被摧毁，那么黑洞表面（也叫事件视界）上应该会出现一个由炽热的高能粒子构成的＂火墙＂，而＂火墙＂的存在却与广义相对论矛盾。 黑洞＂火墙＂悖论 20世纪70年代，霍金证明了黑洞会产生辐射。这个机制必须借助于量子理论才能得出。量子理论认为，真空中会不断产生一对互为纠缠状态的虚粒子，它们诞生之后就会迅速发生湮灭。但是，这个事情如果发生在黑洞表面时，一个粒子可能向外飞走，而另一个会掉进黑洞。这样，黑洞会源源不断地向外辐射粒子。这就是霍金辐射。 如果没有新的物质落到黑洞里去，一个黑洞可通过辐射而完全蒸发掉。但问题是在量子理论中，信息是神圣不可侵犯的：它永远不会被销毁。因此，如果一个黑洞完全蒸发掉了，那么里面物质携带的信息跑哪儿去了？ 这个＂信息悖论＂的一种解决方案是，信息随霍金辐射一起逃了出去。但是在2012年，一些物理学家发现，如果是这样的话会产生其他的悖论。因为，要想让信息不丢失，一个掉进黑洞途中的辐射粒子必须与之前更早期离开这个黑洞的其他辐射粒子发生纠缠，而不只是与它一起诞生的那个离开黑洞的伙伴粒子发生纠缠。 这就冒犯了纠缠的＂一夫一妻制＂原则——一个粒子一次只能与一个粒子发生纠缠。为了让信息保留，一个辐射粒子必须与原来的伙伴粒子＂离婚＂，即中断纠缠关系。然而，破坏这种纠缠关系，会在黑洞表面上释放出能量，于是这里将会有一个＂火墙＂形成。这样，信息虽然幸存了下来，但却违背了广义相对论，因为广义相对论要求一个黑洞表面附近的时空应该是光滑的。 发现虫洞 因此，我们需要一些方法来把两个理论融合在一起——量子化时空并形成一个关于引力的量子理论。而弦理论是最有望能把两个理论融合在一起的理论。弦理论用无穷小的振动的弦来代替当前的点粒子，并认为时空有着粒状的子结构，也就是说你不能无限地把时空分割为更小的单元。 如果弦理论真的能解答黑洞的问题，那么它也特别擅长隐藏答案。弦理论有超过10500个解，每个解描述的是一个不同的宇宙。在这种情况下，找到可以描述我们宇宙的解，比大海捞针还要难。 然而在1997年，阿根廷物理学家胡安·马尔达西那给大家带来了一个新希望。他推测在某些时空内描述引力的弦理论方程刚好与描述这个时空表面上的量子方程是一样的。所以，如果你能找到描述这个时空表面上的量子方程，你就可以得到一个可以描述内部的引力弦理论方程。 马尔达西那的对应关系是一个大胆的推测，但是物理学家都觉得它是站得住脚的，尽管目前还没有人能严格地证明这个对应关系。 2001年，马尔达西那又发现了另一个有趣的联系，而这回仍与爱因斯坦有关。同样是1935年，爱因斯坦再次与罗森合写了一篇论文，揭露了黑洞的另一个奇怪的特性。他们发现，一个从外表上看起来如同两个独立的黑洞的东西，可以在内部连接起来。这个内部连接会形成一个穿越时空的捷径，这被称为爱因斯坦-罗森桥，也就是虫洞。 虫洞是什么？ 虫洞是连接两个不同时空的隧道。虫洞有两个洞口，可以在宇宙中分离得很远，之间通过隧道连接起来，不过这个隧道不穿过正常的空间，而是在更高维度的空间下延伸的，就像一张纸上有一个洞一样，这个洞是三维的。蚂蚁可以通过这个三维的洞从一个二维世界到另外一个二维世界。所以从我们的宇宙中看不到它。尽管虫洞并没有被观测到，但广义相对论预言它是存在的。 虽然在科幻作品中经常把虫洞描述成一种可以进行星际旅行的工具，但是现实是残酷的。以前物理学家认为虫洞存在的时间极其短暂，刚刚形成就转瞬即逝，在这么短的时间内任何物质都来不及从一个洞口穿过去到达另一个洞口。后来物理学家发现，除非有大量的一种具有负平均能量的物质（下面简称为＂奇异物质＂）贯穿虫洞，使得虫洞打开并维持在稳定状态下，这样就允许其他物质穿越虫洞了。而且在实验中确实发现了＂奇异物质＂存在的证据，不过含量极少，但打开虫洞需要极其大量的＂奇异物质＂，例如允许一艘宇宙飞船安全通过的虫洞，至少需要大约银河系发光物质总质量100倍的＂奇异物质＂。由此看来，通过＂奇异物质＂来制造可以进行星际旅行的虫洞希望渺茫。 我们常说的虫洞一般指的是宏观下的一种时空结构。另外还存在一种微观下的虫洞。量子力学指出时空中充满了真空涨落，在普朗克尺度（1.62 10-33厘米）下，真空涨落更加剧烈，如沸腾了一样，充满了＂量子泡沫＂，在这里会存在许多微小的虫洞，不过在这尺寸下的空间结构是不确定的，只能用概率来描述，而且这里不存在时间这种概念。 另外，我们还要注意到，虫洞不仅连接不同空间的两点，也可能同时连接不同时间的两点，如果穿越这样的虫洞，那么就可以穿越时间回到过去了，即虫洞可以拿来当作时间机器。不过一些物理学家经过计算发现，宏观物质在尝试穿越时间回到过去时，很有可能会使虫洞内的真空涨落变得异常之大，足以摧毁虫洞自身，而其中尝试穿越虫洞的物质也会随之毁灭。 量子纠缠和虫洞 让我们回到马尔达西那，他的计算表明，如果两个黑洞的量子状态处于纠缠态，这两个黑洞之间会形成一种虫洞。这还不算什么，惊奇的事情在后面：另一些物理学家通过计算发现，在两个处在纠缠态的微观粒子之间，也会形成一种极其微小的虫洞并把两个粒子连接起来。 这些物理学家在做此研究计算时所使用的工具就是＂宇宙全息论＂，它广泛应用于量子引力和弦理论中。先举个例子，一个球体是3维的，它的表面边界就是2维的球面，比球体少了一个维度。同样我们可以推测出存在一个4维的球体，而它的表面边界是一个3维的球面，同样球面比球体少了一个维度。球面上的时空也就是我们所在的时空。量子力学是不能与引力相容的，但物理学家发现4维球体中的引力可以很好地与量子力学融合，并且4维球体上的量子理论与3维球面上的量子理论其实是同一个理论的不同表现形式。 一组物理学家通过计算发现，让一对处在3维空间下的夸克和反夸克粒子互为纠缠，然后让它们分别以接近光速的速度反向运动，这样它们彼此之间不可能有任何信息传递。物理学家根据宇宙全息原理，把3维空间当作某种4维空间的表面，然后发现在3维空间中互为纠缠的两个粒子之间通过某种弦状结构相连，而在4维空间中，这种弦状结构就变成了一种虫洞。而另一组物理学家也做了类似的计算，不同的是把夸克和反夸克粒子对处在一个强电场下，这样电场会使得两个粒子彼此加速离开，结果也是一样的，3维空间下的一对纠缠粒子通过4维下的虫洞相连。 虽然量子纠缠和虫洞发生在不同维度下，但是从相关的数学方程来看，它们是同一种东西。如果这个理论正确的话，那么这意味着终于揭开了被爱因斯坦称为＂鬼魅般的超距作用＂的秘密。两个处于纠缠态的微观粒子，正是因为这种微小的虫洞把它们相连，它们才可能不管相隔多少光年都可以瞬时相互影响。 量子纠缠这个概念的提出也是有爱因斯坦参与的，不过当初爱因斯坦是拿量子纠缠当悖论去否定量子力学的，而虫洞概念的提出也是有爱因斯坦参与的。如果爱因斯坦知道了量子纠缠和虫洞的这种联系，不知会做何种感想。 消除＂火墙悖论＂ 之后，一些物理学家对此进行了进一步探讨。结果发现，如果你要慢慢地减少黑洞之间的纠缠关系，直到零为止的话，那么这就像在两端拉扯一块口香糖一样，两端的距离会越来越远，之间连在一起的部分会变得越来越细，直到最终发生断裂。也就是说，随着纠缠关系的减少，虫洞会越来越细，最终会发生断裂，两个黑洞变得完全独立。反转这个过程，即增加纠缠关系，虫洞就会再次形成。 马尔达西那又经过几年的研究，推导出了一个惊人的结论。2013年，马尔达西那把他提出的一个简单的公式告诉给了他的同行。公式的形式是这样的： ER = EPR ER代表着爱因斯坦（E）与罗森（R）在1935年写的介绍虫洞概念的论文，而EPR代表着爱因斯坦（E）与波多尔斯基（P）、罗森（R）同年所写的引入量子纠缠概念的论文。马尔达西那的意思是，虫洞与纠缠可能不过是同一硬币的两个面，或者说是同一物理实体的两种不同身份而已。 这种联系立刻吸引了许多物理学家的关注，因为它似乎会立刻摆脱掉有关黑洞的那些令人讨厌的悖论。 黑洞＂火墙悖论＂主要是来自于纠缠的＂一夫一妻制＂原则——一个粒子一次只能与一个粒子发生纠缠。这意味着三个量子系统——一个在黑洞里面的粒子，一个在黑洞外面的粒子，第三个在很远很远地方的粒子——不能在同一时间发生纠缠。 物理学家发现，利用ER=EPR就可很容易地解决这个问题。如果在黑洞里面的粒子与在很远很远地方的粒子之间通过一个虫洞连接起来的话，那么它们当中的一个会是另一个的未来版本，也就是说它们其实是同一个粒子。因此，黑洞里面的粒子实质上只与一个粒子（那个在黑洞外的伙伴粒子）发生了纠缠。在黑洞表面上的不舒服的火墙就没有必要存在了，于是悖论就消失了。 认识时空本性 对量子纠缠与虫洞的深入认识，似乎也揭示了时空的本质。物理学家认为，虫洞是一种时空结构，而纠缠普遍存在宇宙各处，那么时空是不是就是因为量子纠缠的存在而产生的呢？另外，量子纠缠可以看成为一种信息的存储形式，那么时空也是量子信息的一种表现？我们的生活背景不过是一堆0和1构成的信息？ 尽管上面这些玄而又玄的推测很吸引人，但有一些具体的问题仍然悬而未决。例如，一对处在纠缠状态的粒子——这在实验室中是很容易产生的——之间会被一个微观的虫洞连接起来吗？ 我们目前还无法回答这些问题。另外，一个需要说明的是，上面所发现的这个联系只适用于不膨胀的宇宙。现在，一些物理学家正在尝试把结果推广到我们这种会膨胀的宇宙之中。 其他一些物理学家对这个联系感到不信服，认为它有着诸多的问题，例如其数学不成熟，它似乎还与量子理论有一些矛盾等。不过，对于那些参与进来的物理学家来说，都感觉我们最终能找到的量子引力理论应该会遵循ER=EPR的。他们很确信这个联系是最后故事中的一部分，虽然他们仍不太清楚最后的故事将会怎样。