讓信息穿越蟲洞，或許只差一步量子操作！當代物理學兩大支柱的衝突迎來全新解釋 | 獨家

特別感謝原論文作者高蘋對本文的指導和支持

眾所周知，本屆的諾貝爾物理學獎頒布給了對 LIGO 做出過傑出貢獻的三位科學家；這其中就包括了加州理工學院物理系教授、引力研究專家 Kip Thorne。這位教授的學術生涯的關鍵詞，也是我們耳熟能詳的奇異天體——黑洞。

除了能釋放引力波，黑洞還曾被過去不成熟的理論預測賦予過一項神秘的能力，也就是「時間旅行」。在這項預言中，黑洞內部的一種特殊通道「蟲洞」鏈接了未來和過去的兩個節點，從而引發了一系列從未來回到過去的悖論。

當然，這一問題早已經被今年的諾貝爾物理學獎獲得者 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。畢業於清華大學，現在是哈佛大學博士生高蘋（Ping Gao）、 哈佛大學博士生Daniel Jafferis，以及斯坦福大學研究員 Aron Wall 提出一個新黑洞模型——三位科學家發表了論文「Traversable Wormholes via a Double Trace Deformation」。除此之外，普林斯頓大學教授 Juan Maldacena 也貢獻匪淺。

圖 | 高蘋

高蘋向 DT 君解釋道，按照 ER=EPR（有關蟲洞研究的重要結論）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。

ER=EPR是一個光芒四射的等式，它將物理學的兩大「巨星」連接起來的：ER指的是「蟲洞」，EPR指的是「量子糾纏」。前者源於宏觀層面上宇宙大質量物體間關係的廣義相對論，後者則擅長描述微觀粒子間關係的量子力學，這兩個領域從來都互不相干，科學家們卻用這個等式將二者聯繫在一起。

「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，然後信息就可以從另一個黑洞中跑出來。我們的工作是基於 ER=EPR。如果 ER=EPR 是正確的，那麼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於糾纏的黑洞，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黑洞的有趣性質。

在天體物理中，黑洞是大質量恆星在自身引力作用下坍縮的產物。根據廣義相對論，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，現代理論卻早已把這個鐵律打破。1974 年，著名物理學家史蒂芬霍金得出結論，黑洞物質會從內向外蒸發，並以現在被稱為「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了：如果信息掉入黑洞，它將迎來什麼樣的結局？

當代物理學的兩大支柱的衝突

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

因為，根據霍金的計算，黑洞輻射出的粒子是完全隨機的，其中不包含與黑洞內部有關的信息，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，只會變得越來越繁複龐大。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。在宇宙物質隨著時間的流逝而相互作用後，這些信息可能會改變，卻不可能無故消失。

所以，按量子力學的原則而言，如果宇宙時光倒流，我們就會看到事物會遵照其經歷逆變回初始的狀態。而按照霍金輻射理論，黑洞會把物質整個吸入之後，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。

上述的這些衝突就是「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。但它們如何出來？又會以什麼方式出來呢？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聖巴巴拉分校教授 Joseph Polchinski，他認為黑洞內部根本不存在。

但是，主流理論家仍然相信黑洞內部空間的存在。但這意味著，他們必須能夠解釋掉入黑洞內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，科學家對黑洞內部的狀態提出過無數基於不同基礎理論的模型，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想。

在構想中，入蟲洞一端的信息能在另一端被複原。他們在一個負彎曲的時空幾何中設置了該類蟲洞，而這種時空幾何在通常被用在量子引力理論，雖然並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實世界中出現。

Jafferis 解釋道：「這兩個事件（黑洞的連接和新蟲洞的出現）必須是因果關係。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於 2013 年，當時 Jafferis 在韓國的 Strings 大會上出席了一個演講活動。當時，普林斯頓大學高級研究所物理教授 Juan Maldacena 在會上發表了有關蟲洞研究的重要結論——「ER = EPR」。該理論由 Maldacena 和 Susskin 共同提出。

這個理論是什麼意思呢？

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」就出自於對量子糾纏現象的描述。

這兩個概念看似毫無相關，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，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繫在一起。於是，Maldacena 提出的「ER = EPR」在 2013 年首次在黑洞研究領域把相對論和量子物理聯繫在了一起，成為了宇宙學中具有里程碑意義的一個理論。

在 Maldacena 研究的基礎上，Jafferis 很快意識到蟲洞和糾纏粒子對的對等關係可能在實質上解決黑洞的信息悖論，於是高蘋、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

經過幾年的努力，他們的工作終於將 ER=EPR 拓展到了量子資訊理論的層面上，並證實該理論模型與量子隱形傳態原理相同。

簡單而言，他們三人在「EP=ERP」的基礎上擴展了蟲洞模型，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！

對於量子隱形傳態這一名字，想必我們都有所耳聞。今年八月份，我國科學家潘建偉團隊就在《自然》發表了通過「墨子號」實現量子隱形傳態的重大突破。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，然後對該組合態進行測量（將組合態坍縮為一對經典比特，1 或 0），並將測量結果發送給 Bob。在收到測量結果後，Bob 便可參照該結果在糾纏粒子 b 上重建狀態 q。

於是，量子信息便從一個地方被傳遞到另一個地方。更重要的是，回到資訊理論的層面上，宇宙信息的幺正性得以保留——雖然 A 的量子態坍縮，卻在其後從 B 的狀態上呈現了出來。

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，然後測量由該黑洞的霍金輻射產生的粒子，然後再通過黑洞外部的宇宙將測量結果傳給 Bob。一個由霍金輻射產生粒子從黑洞 B 出來，收到測量結果的 Bob 隨後便可根據結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複原。

對此，加州理工學院的黑洞和量子重力專家 John Preskill 表示：「該發現拯救了我們所說的『黑洞互補性』，這意味著黑洞的內部和外部並不是真正的兩個不同的系統，而只是以兩種互不相同但互補的方式來觀察同一個系統。」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：「無論什麼落入一個黑洞，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部的一個非常混亂的副本。」

如何更加形象地呈現黑洞與霍金輻射粒子之間的糾纏關係呢？

在 Maldacena 有關 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，導致遠離自身的霍金輻射粒子被蒸發掉。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部幾何結構的存在。

明顯地，在該幾何構想中，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。加州理工學院的 Preskill 甚至表示：「至少對於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部是可能的。」

對此，Maldacena 的合作者 Stanford 表示：「該設想的提出是為了用蟲洞來恢復落入黑洞的信息。為此我們要收集黑洞的霍金輻射，並以複雜的方式對其進行處理。這種複雜的集合性測量，能揭示關於落入黑洞的信息的原貌，這需要在草圖中無數的章魚觸角間創造一個大型蟲洞。然後，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帶來一個新的，廣義幾何概念（關於 ER = EPR）。我們認為量子引力理論也應該遵循這一原則。而在研究中，我們則更多地將其視為一種指導性設想，而非嚴謹的理論。」

「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。

在了解了這些關於蟲洞的奇異設想之後，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。