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蟲洞與纏結 相對論與量子力學的統一

在十九世紀的最後一天,著名的物理學家湯木生在科學家聚會上表示,物理學界還有兩片烏雲無法使用當時、以牛頓力學為基礎的理論解釋;而一百多年後,二十一世紀的今天,物理學界上空,籠罩地面的幾朵烏雲之一,就是相對論與量子力學 ─ 兩個在二十世紀蓬勃發展的著名理論 ─ 難以統一。

(圖 / 科學人)

  相對論主要研究大範圍、大尺度的巨觀現象,如同時空以及時空扭曲產生的重力;而量子力學則相反,主要討論小範圍、小尺度的微觀現象,如電子等基本粒子的運動。如今,這兩個看似迥然不同、毫無關聯的理論,竟有了相互融合的可能?

  最近,物理學家發現來自量子力學的纏結效應和來自相對論的蟲洞很可能只是同一現象不同解釋,也就是說,量子力學和相對論終於有了關聯,物理學家可以藉由纏結現象,將相對論推導出的蟲洞,推廣至量子領域。

  那麼,蟲洞和纏結效應又是什麼呢?

  蟲洞(Warm Hole),一般被認為是連接兩個黑洞的橋樑,擁有扭曲的時空。

  纏結效應(Quantum Entanglement)是從EPR實驗而來:當兩個電子開始以同樣的步調振動時(此狀態被稱為同調),兩者就會如同dropbox同步所有資料一樣,以波的的形式同步化;這就像是我們可以從自己電腦或手機裡觀看dropbox內部,不論是從電腦還是手機上傳的資料。

  也就是說,如果其中一個電子產生什麼狀況,就會立即傳遞給對方;但是比較不一樣的是,這個同步是相反的,舉例來說,若甲、乙粒子產生纏結,甲粒子被測得是黑色的,則不須測量就能得知乙粒子是白色的。這兩個緊緊糾纏的粒子不論相距多遠,都有某種緊密的連結束縛住他們的一舉一動。

  物理學家發現,在微觀狀態下,如果兩黑洞產生量子纏結,兩黑洞之間就會生成蟲洞。這個研究結果告訴我們,纏結效應其實會讓時空幾何結構產生形變,再擴大一點來說,就是量子力學會讓時空產生變化、是建構時空的基礎之一。



 



原始資料來源:Juan Maldacena(高涌泉譯)。物理學:千里黑洞共纏結。科學人雜誌No.178,2016年12月。p.34-p.39。

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