2013-12-31

量子糾結在創造的同時會導致蟲洞產生?

Creation of entanglement simultaneously gives rise to a wormhole
http://phys.org/news/2013-12-creation-entanglement-simultaneously-wormhole.html

Dec 05, 2013

量子糾結(Quantum entanglement)是量子力學研究中最奇異的理論之一 -- 事實上,因為太奇怪了,愛因斯坦曾以下列「名言」來形容它:"在遠方作祟的幽靈(spooky action at a distance)"。

基本上,量子糾結涉及二個粒子,每一個同時具有多重狀態 -- 一種被稱為疊加(superposition)的狀態。例如,二粒子可能同時順時針自旋與逆時針自旋。除非某一個被測量了,否則沒有一個粒子會具有明確的狀態,不過,一旦測量之後,會導致另一個粒子「立即」呈現一致的狀態。二粒子間所產生的相關性(correlations)會被保留,即便它們分據宇宙相對的二端。

不過,是什麼讓粒子在如此浩瀚的距離間能夠「立即地」溝通 -- 而且似乎比光速還快?在今年初,物理學家提出一種「蟲洞(wormholes,或稱引力通道/gravitational tunnels)」形態呈現的答案。這組人證明,創造二個糾結的黑洞之後,接著將它們拉開,它們會形成蟲洞 -- 基本上是一個橫跨宇宙的「捷徑」 -- 連結遠方的黑洞。

現在,MIT 物理學家發現 -- 透過「弦論」的鏡頭來看 -- 二個糾結夸克(物質的基石)的創造,同時會導致連結這對夸克的蟲洞產生。

這些理論性的結果鞏固這個相對較新且令人振奮的點子:聚攏宇宙的引力定律也許不是基本(交互作用),而是由別的東西引起:量子糾結。

Julian Sonner,MIT 核科學實驗室與理論物理學中心的資深博士後,已將其結果發表在 Physical Review Letters 期刊上,在那裡,它與另一篇由 Victoria 大學的 Kristan Jensen 以及華盛頓大學的 Andreas Karch 所完成的相關論文並列。


糾纏的網絡是引力

打從量子力學首度在一百多年前被提出以來,對此領域的物理學家而言,主要挑戰是以量子力學的語言來解釋引力(gravity,重力)。雖然量子力學在描述微觀層次的交互作用上非常有用,不過它無法解釋引力(gravity,重力)-- 相對論的一種基本概念。相對論由愛因斯坦所提出,用來描述巨觀世界。因此,要揉合量子力學與廣義相對論顯然出現一大阻礙。多年來,物理學家試圖要提出一種量子引力論(量子重力論)來結合這二個領域。

"這裡有些關於量子引力論的困難問題我們仍不知(答案),而且我們著手對付這些問題已經有很長一段時間了," Sonner 說。"我們需要找到正確的道路來理解這些問題。"

一個量子引力理論可能會提出,古典的引力並非一種基本概念,一如愛因斯坦率先提出的,而是從一種更基本的、基於量子的現象浮現。在巨觀的脈絡下,這意味著,宇宙是由某種比引力(重力)更基本的東西所形塑。

這裡正是量子糾結所能夠扮演的角色。糾結(量子力學中最基本的理論之一)的概念也許看似與廣義相對論直接相衝:二糾結粒子,橫跨遙遠的距離進行「溝通」,而且速度可能比光還要快 -- 根據愛因斯坦,這違反了物理定律。也許正因為如此,利用糾結的概念來建立「時空」,才會令人驚訝。那在量子力學與廣義相對論的揉合(reconciling)上,也許跨出了一大步。


通往第五次元

七月時,IAS(普林斯頓高等研究院)的 Juan Maldacena 與史丹佛大學的 Leonard Susskind 這二位物理學家,以二個糾結黑洞的形態,提出一種理論性的解答。當二黑洞糾結,然後將之拉開時,理論學家發現,所浮現的是一種蟲洞 -- 一種穿越時空的隧道,那被認為是由引力所聚攏(held together)。這個構想似乎指出,在蟲洞的例子中,引力從更基本的「糾結黑洞」現象中浮現。

延續 Jensen 與 Karch 的研究,Sonner 試圖在夸克(物質的次原子建構基石)的層次上著手處理這個想法。為了看看有什麼東西從二糾結的夸克浮現,他首先利用 Schwinger effect(史瓦西效應)產生夸克 -- 量子理論中的一種概念,那允許某人從「空無一物(nothing)」中創造粒子。更精確地說,此效應,亦稱為「成對創造(pair creation)」,允許二粒子從真空(或瞬時粒子之湯/soup of transient particles)中浮現。在一電場中,某人能夠 -- 如 Sonner 所形容的 -- 在一對粒子再度消失於真空之前「抓住它們」。一旦抓到了,這些粒子被視為已糾結。

Sonner 將糾結的夸克對應到一個四維空間,那被視為「時空」的代表。相較之下,引力被認為存在於下一個次元,根據愛因斯坦的定律,其作用是「彎曲」與形塑時空,也因而存在於第五維度。

為了瞧一瞧來自四維空間中的糾結夸克,會以什麼樣的幾何學從第五次元浮現,Sonner 利用了全像二元性(holographic duality,全像二重性),弦論中的一種概念。雖然全像圖是一種二維物體,不過它包含了要重現三維視野的所有必要資訊。基本上,全像二元性是一種從下一個較低的維度導出(derive)一個更複雜維度的方法。

利用全像二元性,Sonner 導出糾結夸克,並發現所浮現的是一個連結兩者的「蟲洞」,這意味著,在創造夸克的同時,也創造了一個蟲洞。更基本地,這些結果指出,引力,也許事實上是從糾結浮現。還有,由古典引力所描述的宇宙幾何學,或「彎曲」,也許是一種糾結的結果,例如:在一對粒子之間,由穿隧蟲洞串連在一起。

"對於「糾結在此會產生某種幾何學」,這是我們迄今所擁有的、最基本的再現," Sonner 說。"如果這種糾結的某一些喪失了會發生什麼事,而幾何學會發生什麼事?這裡有許多路線可以追尋,而在那種情況下,這項研究結果能證明很有幫助。"

※ 相關報導:

* Holographic Schwinger Effect and the Geometry of Entanglement
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.111.211603
Julian Sonner
Phys. Rev. Lett. 111, 211603 (2013) [4 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.111.211603
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