虫洞不能让你回到过去 但或许可用来躲避星际战争

新虫洞研究：不可穿越的虫洞等价于量子纠缠

　　最近几十年来，索恩把兴趣点从虫洞研究转移到了引力波探测，并且在2017年因为人类首次探测到引力波获得了诺贝尔物理学奖。但虫洞的研究并没有停止。而且，虫洞研究的基本思想在近10年已经发生了很大的改变。

　　虫洞研究的新思想来源可以概括为一个物理公式，那就是由普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)和斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)在2013年提出的“ER = EPR”。这个公式第一次把虫洞与量子纠缠联系在了一起。

　　ER 的全称为 Einstein-Rosen(爱因斯坦-罗森)桥，这在本文一开始我们已经提到过。这是爱因斯坦和纳森·罗森(Nathan Rosen)在研究广义相对论方程时提出的一种不可穿越的虫洞。

　　而 EPR 则是 Einstein-Podolsky-Rosen(爱因斯坦-波多尔斯基-罗森)这三位科学家的姓名的首字母缩写。波多尔斯基(Boris Podolsky)是一名俄籍美国物理学家。EPR 在物理中描述的是一对相互纠缠的粒子。

　　本来，ER与这 EPR两个概念风马牛不相及，因为爱因斯坦-罗森桥是描述大尺度宏观现象的广义相对论的产物，而EPR对则是对微观世界的量子纠缠行为的描述，而且量子纠缠在大尺度上很容易因为退相干而消失。

　　但到了2013年，曾因提出ADS/CFT对偶理论而名声大噪的马尔达西那与萨斯坎德抛出了重磅炸弹“ER = EPR”。如果把黑洞视为量子系统而不是经典物体，那么就可能出现由两个高度纠缠的黑洞组成的系统。对这种纠缠态进行仔细研究，就会发现这种纠缠态对应的时空可以看成一个不可穿越的虫洞连接了两个黑洞，这就是“ER= EPR”的真正含义。

　　值得注意的是，ER与EPR这两篇论文的作者里，都有爱因斯坦和罗森，而且都是在1935年发表的，前后相差2个月。更加令人惊讶的是，80年后，马尔达西那与萨斯坎德发现，这两篇文章本质上说的是同一件事情。他们推测，任何一对纠缠量子系统都是由爱因斯坦-罗森桥(不可穿越虫洞)连接的。

　　在ER=EPR的基础上，哈佛大学的丹尼尔·贾弗里斯(Daniel Jafferis)与高苹，以及来自斯坦福大学的阿伦·沃尔(Aron Wall)开始了新虫洞研究。高苹是一位年轻的中国科学家，他从清华大学物理系毕业后，就去了哈佛大学物理系攻读博士学位。

　　贾弗里斯、高苹以及沃尔提出的虫洞方案与索恩的不同，前者的新虫洞不适合长距离的星际旅行，因为他们所刻画的虫洞连接的是两个距离很近的黑洞。而且，“穿过这些虫洞比直接旅行更慢”。他们对长距离的星际旅行持悲观态度。

　　但有一点是可以肯定的，那就想要打开可穿越的虫洞，必须有大量的负质量。问题的关键在于，负质量物质从什么地方来。

　　负质量在经典物理学的意义上是不可能出现的，但是，量子力学却可以产生负质量。最著名的例子是卡西米尔效应——比如两块平行金属板之间的电磁真空状态，理论与实验结果都表明，金属板之间的真空态具有负能量，这被称为卡西米尔能量。这种负能量可以被视为负质量。因此，卡西米尔效应说明，量子力学可以实现负质量，并有助于创造一个可穿越的虫洞。正如前文描述的那样，可穿越虫洞的技术细节是要得到一个违反平均类光能量条件的能量动量张量，换句话说，可穿越虫洞的维持要求具有负的平均类光能量的物质场(因为根据爱因斯坦的广义相对论，物质场引起时空的弯曲)。

　　三年前，贾弗里斯、高苹与沃尔研究了两个永恒的BTZ黑洞边界的相互作用之后，他们发现了在这里可以产生一个具有负平均类光能量的量子物质能量动量张量，这个情况等价于出现了负质量，所以其反引力作用可以使爱因斯坦-罗森桥勉强可穿越(BTZ黑洞是一种反德西特时空中的二维黑洞，但他们的结论对三维空间中的黑洞同样成立)。这时，虫洞就是可穿越的，如果一个人跳进一个黑洞，他可以从另一个黑洞逃脱。

　　高苹在接受采访时说，“量子纠缠等价于不可穿越的虫洞，但加上负质量物质后，这个虫洞就变得可穿越了。所以两个黑洞实际上在视界之后是连接起来的。如果一个人跳进第一个黑洞的时候速度足够快，那么它实际上很接近第二个黑洞的视界，虽然这个人还在黑洞里面。然后，我们用量子的相互作用产生负能量的物质，当这个负能量的物质进入黑洞的时候，在黑洞里的人一旦碰到负能量物质，他就可以被推出来。”

　　高苹强调，虽然这两个黑洞在空间上的距离很近，但实际上连接它们的虫洞非常长。

新虫洞不会“超光速”，但可以躲避星际战争

　　在传统的虫洞研究中，一个核心的问题在于，如果一个人穿越虫洞的时间太短，而在空间上移动很大的距离。比如在1秒钟内从地球穿越到了银河系中心，那么这在外部世界看来就是超光速的运动。这种穿越行为一定会违反相对论的因果性，最后产生悖论。

　　1988年，索恩证明了如果虫洞很短，那么人就通过虫洞回到过去。这是一个非常有趣的结果，但这会引发悖论。因为如果通过虫洞的时间很短，那么根据简单的狭义相对论就可以证明利用虫洞就可以做出时间机器回到过去，但这个时候会产生因果性的问题，比如一个人可以回到过去杀了祖父，这样就会产生“祖父悖论”。

　　“祖父悖论”说的是，假如一个叫小王的人可以回到过去，那么他就可以杀死自己的爷爷，当时他爷爷还只是一个儿童，没有结婚生子，所以小王的父亲就不会出生，因此小王没有父亲，小王也不能出生，那他又是怎么回到过去杀死自己的爷爷的呢？因此这是一个悖论。这个悖论说明，回到过去是不可能的。

　　因此，从祖父悖论这种逻辑推理可以看出，可穿越的虫洞就算存在，也一定要避免产生祖父悖论这样的因果性疑难。

　　贾弗里斯、高苹和阿伦·沃尔的理论是通过一些量子效应，使得不可穿越的虫洞变得可以穿越，但他们的新虫洞并没有破坏因果性，因为在他们的模型中，虫洞非常长，在虫洞里旅行需要花费很长的时间——因为在虫洞中穿行的时间比在虫洞外更长，所以这不会引起祖父悖论。

　　高苹在接受采访时表示，“两个黑洞可以由虫洞连接，这两个黑洞之间的距离很近，同时它们之间存在很强的量子纠缠。我们的研究表明，连接这两个黑洞的虫洞非常长，人类在这个虫洞中旅行需要花费很长的时间，所以在虫洞中躲避星际战争是可能的。”

　　因此，新虫洞并不是做星际旅行的最佳选择，相反，新虫洞可以被看成是一个世外桃源，是一个可以长时间呆在里面躲避外部星际战争的桃花岛。