新的方程式可以结合物理学里的两大理论: 广义相对论和量子力学

栏目:科学探索 编辑:黄耀华 时间:2016年11月05日

在最近发表的研究报告中,史丹佛理论物理科学家发展出一个新的方程式,这个方程式说广义相对论和量子力学的关键连结,能够在奇怪的时空隧道中找到,那些隧道就是虫洞。

至今物理界仍解不开的问题,是关于广义相对论和量子力学,这是我们用来解释宇宙的两大杰出理论,各有各的道理,等你试着把它们并在一块,就怎么也算不出来结果了。

但有个史丹佛理论物理科学家,他最近想到一个新方程式,他们推测这个方程式是,在虫洞这样奇怪的时空隧道中,可以找到两套理论之间的关键联系。

方程式可谓出乎意料的简单:ER = EPR。

基本上这个方程式不是以数值组成的,但是代表了理论物理学中几个关键名称。

方程式左边的ER是爱因斯坦和他的助手罗森,指的是1935年他们共同执笔的那份虫洞研究,虫洞在学术上又被称为爱因斯坦-罗森桥( Einstein — Rosen bridge )。

方程式右边是爱因斯坦、助手罗森(Nathan Rosen)以及波多斯基(Boris Podolsky)在同年一起写的研究,内容关于量子纠缠(quantum entanglement)。

2013年回归研究的史丹佛大学物理学家Leonard Susskind以及普林斯顿高等研究院的Juan Maldacena,推测这两份研究报告叙述得很可能是同一件事,这件事在物理界中从古至今都没人想过,包括爱因斯坦他自己。

Leonard Susskind回过头来讨论他假设事实为真的情况,但首先,我们必须把这个方程式分成几块来看。

首先爱因斯坦广义相对论中,必要条件是虫洞就像宇宙两地之间的通道。

理论上,你掉进虫洞任一端,你会以几乎是瞬间移动的方式出现在另一端,尽管你是在宇宙中的极地也是如此。

但虫洞不只是宇宙中前往异地的门道而已,也是宇宙中两个时空的穿越门,就像科普作家卡尔.萨根(Carl Sagan, 1934- 1996)曾言:「你可能会从宇宙中另一个时空跑出来。」

换句话说,量子力学叙述两个粒子之间能够以无法阻挡的方式互动,确实分享共同的存在。

这就是说,不管其中一个粒子发生什么事,马上会影响到另外一个,就算它们相隔的距离是以光年计算。

好,那么现在我们把两个理论结合起来。

在Leonard Susskind的新研究报告中,他提出一个这样的脚本,假设Alice和Bob分别都拿了一把纠缠在一块的粒子,Alice从两人手中的粒子团各拿了一个粒子出来,Bob也是,两个人都有超音速喷射机,他们从宇宙中相反方向飞行。

到达他们各自的位子后,Alice和Bob用很大的力量把粒子打碎,制造出两个黑洞。

Leonard Susskind说,结果是,两个在宇宙两端的纠缠黑洞透过巨大的虫洞连结在一起。

Tom Siegfried在接受Science News访谈时提到:「如果ER=EPR为真,那么虫洞就能把黑洞串连在一起,因此量子力学才能叙述如何利用虫洞几何学。」

Tom Siegfried还补充说:「更惊人的是,两团纠缠的亚原子粒子尽管是独立的,也透过某种量子虫洞而有所联系。爱因斯坦的引力方程式说,由于虫洞是扭曲的时空,量子力学鉴定虫洞会在重力和量子力学间塑造出连结。」

Leonard Susskind是对的吗?现在断言还言之过早,还得等到他的研究在arXiv.org预先公开,接受到同行细细审阅时,这个研究才正式经过同行复审的过程。

但Tom Siegfried指出 Leonard Susskind不是唯一朝这个方向研究的人,今年初,加州理工学院的物理学家就想到一个类似的假设,他们当时正企图呈现量子状态的异动如何与几何时空曲线产生联结。

其中,Sean M. Carroll 在部落格发表了这个假设,他表示,大部分能量与时空曲率之间最自然的关系,是爱因斯坦广义相对论方程式所提供的。

他并表示:「这个主张是说重力,也就是时空曲率造成的能量或者动量,是非常引人注目的形式,在量子力学中得到它并不难,因为它是自动的,或至少是最自然而然就会出现的东西。」

我们等着看是否ER=EPR或一些有近亲关系的方程式能够证实这个理论,但是这想法绝对是值得令人深思,Leonard Susskind也让人不禁好奇他是否已经得到什么结果了。

Leonard Susskind写道:「对我而言,很显然似乎ER = EPR就是真的,这可是个不得了的说法,一定会影响量子力学的诠释和基础。如果我是对的,量子力学和重力之间的关系,可远比我们想像的还要来得密切。」

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