时空穿越不再 是梦?科学家成功模拟“全息虫洞” !******
近日,科学家打造出
“全息虫洞” 的消息冲上热搜
引发了大家的讨论
虫洞是什么 ?
我们真的能用它穿越时空吗?
今天一起了解虫洞
01虫洞 ? 是虫子住 的洞吗 ?
宇宙中 的虫洞 是科学家推测可能存在的一种特殊隧道,它 的两头连接着两个遥远 的时空 ,理论上说,如果能从虫洞的一端穿越到另一端,就能实现超越光速 的时空旅行。
电影《星际穿越》中结尾主角就是进入了虫洞 ,发生了时空穿越 。感兴趣的同学可以去看看哦!
图源:截图 电影星际穿越中 的画面
要理解虫洞 ,我们首先要理解“黑洞”和“白洞”。在霍金 的两大科普著作《时间简史》《果壳中的宇宙》的帮助下 ,黑洞这一概念早已深入人心 。它是在恒心死亡时 ,由于体积收缩 ,密度变大,获得使光也无法逃脱的巨大密度的一种天体 。而所谓白洞 ,其实就 是和黑洞具有相反性质 的特殊天体 ,特点是不断往外“吐”出东西 ,只发射而不吸收。
一个吞噬一切 ,一个“吐出”一切,大家可以想象一下,如果一个黑洞恰好连上了一个白洞时会怎么样呢 ?这时就会形成虫洞(worm hole)。
图源 :中科院理论物理研究所 虫洞示意图
1915年 ,爱因斯坦提出了广义相对论,在爱因斯坦的理论中 ,空间和时间不再 是绝对 的 、不可变 的,而 是可塑 的、相互依存的 ,且它们会受物质存在 的影响 。1935年 ,爱因斯坦和他的助手罗森在广义相对论的框架下研究黑洞,首次提出“爱因斯坦-罗森桥”的概念 ,这座“桥”连接了时空中两个不同区域的通道。上世纪50年代 ,物理学家惠勒将这座桥命名为“虫洞”。
这听起来 是不 是很令人心动?进入虫洞,你可能会出现在宇宙 的任意一个角落 ,甚至穿越时空 ,改写你 的人生,重新选择你曾经后悔 的事。然而 ,虽然广义相对论允许虫洞 的存在 ,物理学家还从未在宇宙中观测到虫洞,目前只有黑洞被人类实际观测 。
02量子虫洞又是啥?
虽然我们还没有在宇宙中发现虫洞 ,但现在科学家们创造出了虫洞 ,还观察到了信息在虫洞之间传递 的现象 。不过,先别想着穿越时空 ,这个虫洞并非上述所讲的引力虫洞,而是一个量子虫洞。
日前,英国《自然》(Nature)杂志发表 的一篇论文首次报道了利用一台量子处理器对全息虫洞进行量子“模拟” 。这个全息虫洞成功地将量子态通过虫洞,由一个量子系统传递到了另一个量子系统 。
如果我们想象中可以时空旅行 的虫洞叫作“时空虫洞” 的话,量子态 的量子虫洞则可以称之为“微型虫洞” 。
那么 ,研究量子虫洞有什么用呢 ?
这是因为 ,广义相对论和量子力学虽然各自都发展了很长一段时间 ,但它们之间仍然有一个根本性的“冲突”——量子引力 。
具体来说, “广义相对论”描述了引力且在恒星 、行星 、银河上等大尺度上都适用;而“量子力学”描述了其他3种作用在微观尺度的基本力 。这二者 是否有“握手言欢” 的可能?这就要看量子引力的表现 。
物理学家们当然想通过实验去检验 ,但很遗憾,量子引力的能量与尺度 ,此前 的实验室条件是无法模拟和观测 的 。而这就 是“全息” 的用武之地,它可以帮助物理学家创建一个与原始系统相当 ,但不太复杂 的系统。这类似于用二维全息图显示三维图像的细节 。
03量子虫洞是怎么创造出来的?
2019年谷歌 的物理学家们提出了一种实验假说,认为一个在物理实验室中可以再造 的量子态,能被解释为在两个黑洞之间的虫洞中穿越 的信息。
现在,来自谷歌、MIT 、费米实验室和加州理工学院的科学家们,用9个量子位 、1台量子计算机模拟出了对应 的量子动力学 。在同一个量子芯片中 ,他们创建了两个纠缠的量子系统 ,并将一个量子位放入其中一个量子系统。结果 ,他们在另一个量子系统中观察到了这个量子位“穿越虫洞”而来 的信息 ,结果符合预期的引力性质 。
这是什么意思 ?大家可以设想在两组纠缠粒子之间 ,穿上一根电线或其它任何的物理连接 ,让粒子们编码出虫洞 的两个口。
在这种耦合作用下,操作其中一侧 的粒子,会引起另一侧粒子 的变化。这样就有可能在两侧粒子之间撑开一个虫洞 。
图片来源:inqnet/A.Mueller 量子计算机的模拟显示了信息如何通过虫洞
尽管存在争议 ,但是这项前所未有 的实验 ,探索了时空以某种方式从量子信息中产生的可能性 。随着量子装置 的不断改进 ,错误率会更低,芯片会更强 ,那么对引力现象 的研究也会更加深入 。
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资料来源:中科院物理所 、极目新闻 、科技日报、环球科学、量子位
整理:董小娴
(文图 :赵筱尘 巫邓炎)