这个新方程可以统一广义相对论与量子力学

今天，我们要讲的是一个能让爱因斯坦感到骄傲的新方程。

非常容易记住：ER = EPR

你或许会认为，如果这个等式能够成立，那么P就必须等于1。但是这里的符号并不是代表数字，而是名字。E，或许你已经猜到，代表爱因斯坦（Einstein）。R（Rosen）和P（Podolsky）则是另外两位物理学家的首写字母，他们与爱因斯坦在1935年共同发表了两篇非常有意思的论文。这个公式迷人之处在于，它连接了爱因斯坦的广义相对论和量子力学。

我们知道，量子力学和广义相对论在各自领域出色的描述着我们生活的世界，它们也预言过许多听起来有违常识的概念。当今物理学家的目标之一就是将它们合并在一起，并希望最终得到一个“量子引力理论”。但到目前为止，所有的努力都还没有成功。

根据广义相对论的预言，虫洞可以连接宇宙中两个遥远的区域，提供一条捷径。一些物理学家认为虫洞可以连接空间中的两个黑洞，为解开神秘的量子纠缠提供了一个线索；以及链接了量子力学和广义相对论。

但是，ER = EPR建议，它们之间的联系或许隐藏在时空的隧道——虫洞之中。看过电影《星际穿越》的读着对虫洞的概念应该不会陌生，它为宇宙航行提供了一条捷径，只要从虫洞的一端进入，我们就能到达被虫洞连接的宇宙中的任何一个地方。而最有趣的地方是，虫洞或许跟量子纠缠有关。（我国刚发射的量子卫星的其中一个任务就是检验量子纠缠。）

在过去的几十年内，物理学家分别在尝试解决两个不同的量子问题：第一个，如何正确的诠释量子力学，使量子世界的许多奇异行为的解释变得更加清晰（比如量子纠缠）；第二，如何结合量子力学和引力。如果ER = EPR正确，那么两个问题都有同样的答案：只有在理解量子和引力之间的联系的基础上，才能够更好的理解量子的诡异性。而虫洞恰好提供了这么一条路径。

虫洞，也被称为爱因斯坦-罗森桥（即方程中的ER）。1935年，在爱因斯坦（E）与罗森（R）合作的一篇论文中首先提出虫洞。而方程的右边，EPR则是爱因斯坦（E）、波多尔斯基（P）和罗森（R）共同发表的另一篇论文。在这篇论文中他们首次提出了量子纠缠的概念。在过去几十年，从来没有人认真的思考过着两篇论文之间或许存在着某种联系。直到2013年，物理学家Juan Maldacena和Leonard Susskind提出在某种程度上，虫洞和纠缠是等同的，它们以不同的方式描述了同一个根本现实。

ER = EPR描述了几何和纠缠的关系：纠缠的粒子由虫洞连接。也就是说虫洞等同于纠缠，它们只是描述同一现实的不同方式。（© Nature）

而在最近的一篇论文中，Susskind更进一步的提出了真个想法背后或许隐藏着更深层的意义：理解虫洞和纠缠的等同或许是结合量子力学和广义相对论的关键。其中的细节可以解释神秘的纠缠现象，而空间本身也可以从量子纠缠中出现。关于如何诠释量子力学的争论也可以在这个过程中解决。

纠缠是量子物理中最诡异的一个行为之一。举个例子，当两个粒子从一个共同的来源中发射出的时候就会产生纠缠。对于这样的一个粒子对，量子力学告诉我们对其中一个粒子的测量（比如它的自旋）会得出一个特定结果（逆时针）的概率。但是对粒子对的其中一个成员进行测量，你就会立即知道当你对另一个成员进行测量所得出的结果，无论两个粒子相隔有多么遥远。爱因斯坦对这样的结果并不感到满意，他认为对一个粒子的测量不应该影响对另一个粒子的测量，因此他称量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”。但是，许多实验都表明纠缠的确存在。尽管如此（就像爱因斯坦所坚持的），信息的确是不能够以超越光的速度从一个地方立即传送到另一个地方。

物理学家通常都用两个粒子来解释量子纠缠。但是这其实是最简单的一个例子。Susskind指出，量子场——也就是制造粒子的东东——也能够纠缠。这跟在真空中不断地出现和消失的“虚粒子”有关。这些粒子看起来像是凭空成对的出现，它们的共同来源确保了它们是纠缠的。在它们短暂的生命中，它们有时候会与真实的粒子相撞，这使它们也相互纠缠了。

现在，我们想象一下Alice和Bob在真空中开始收集这些真实纠缠的粒子。Alice收集所有粒子对的其中一个，而Bob收集另一个。接着他们搭乘宇宙飞船朝着不同的方向飞，直至相隔甚远。现在，他们将收集的所有粒子用极强的力挤压成黑洞。由于这些粒子一开始就是纠缠的，因此这等于他们制造出了纠缠的黑洞。如果ER = EPR，这就意味着这些黑洞之间是由虫洞连接着的。因此，利用虫洞的几何就能够描述纠缠。

更令人惊奇的是，两个纠缠的亚原子粒子也以某种方式由量子虫洞连接着。根据广义相对论，虫洞是时空几何的扭曲，因此理解虫洞和量子纠缠之间的联系，就可以在引力和量子力学之间架构一座桥梁。

另一方面，关于量子力学的诠释一直都存在着激烈的争辩。传统的哥本哈根诠释着重于观测者的角色，一旦观测者进行了测量，量子系统的各种可能性就会“塌缩”为其中一种（下图）。而多世界诠释则认为所有的可能性都会发生，观测时会分离出无数个平行宇宙，每个宇宙都有一个确定的状态，而我们只是在其中的一个特定宇宙。多世界诠释的一个优点是不必考虑波函数的塌缩。如果ER = EPR，那么这两种诠释就是互补的。（在论文中，Susskind用了“维格纳的朋友”的实验来解释这两个不同的观点，其中牵涉到了维格纳、爱因斯坦和薛定谔猫，非常有意思，建议有兴趣的人可以查看文末“阅读原文”的链接。）

左边为量子力学的哥本哈根诠释，右边为多世界诠释（又称为相对状态提法或艾弗雷特诠释）。（© Leonard Susskind）

虽然如此，虫洞并不能够用来以超越光的速度在空间中传递信息。例如，Alice和Bob并不能够通过连接他们黑洞的虫洞来传递信息。如果他们想交流，他们可以跳进黑洞并在虫洞的中间会和。如果这样的会和能够实现，将会是ER = EPR强有力的证明。

与此同时，在今年的早些时候，加州理工的几个物理学家也研究了引力和量子纠缠之间的关系。他们试图解释时空是如何从真空中的量子纠缠网络“建造”出来的。他们尝试解释一个改变的量子态如何跟弯曲的时空几何相联系。从这个角度来看，引力很自然而然的就从量子力学中出现。

如果ER = EPR是正确的，那么量子力学和引力之间的联系要比我们从前认为的更加紧密。这很重要！

注：Leonard Susskind是弦理论的创始人之一。念中学时他和父亲一起做水管工人，后来决定改行读物理，现在已经是大牛啦。网上可以搜到他的一系列课程。

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