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张双南:量子纠缠或揭露时空本质,“虫洞+黑洞”实现穿越旅行

(2018-05-15 16:10:07)
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量子纠缠或揭露时空本

“虫洞黑洞”实现穿

分类: 基本要义需掌握

“黑洞”、“虫洞”、“引力波”,这些存在于高等物理课本上的名词,在2014年的电影《星际穿越》中完美现身。荧幕上展现的地球环境已趋于崩溃,人类迫切需要从黑洞中提取能量。宇航员库波通过虫洞,“瞬时”往返于黑洞,实现星际穿越。在一览广袤宇宙的同时,他检测到引力波信号从虫洞传递而来。精彩的艺术作品之后,留给人类思考的却是一个难题:在未来,我们该如何理解并操控引力,最终离开地球?


318日上午,中国科学院高能物理研究所研究员、中国科学院大学张双南教授(文汇讲堂第100期嘉宾)在上海科技馆向听众发出了这个提问。在他看来,这些神秘的名词背后,都直指一个问题:时空的本质是什么?该场科普大讲坛以《星际穿越与量子纠缠》为主题,由上海市科学技术委员会主办,上海科普教育发展基金会、上海科技馆承办。中国科学院武汉物理与数学研究所研究员蔡庆宇博士亦发表演讲,针对量子纠缠作了详细的讲解。讲座的科幻主题吸引了许多亲子组团前来。


当天,上海天文馆(上海科技分馆)建设指挥部展示部部长林清出席现场。作为全球最大的天文馆,上海天文馆目前已在浦东临港开工兴建,批复面积为3.8万平方米,预计于2020年正式对外开放。


讲堂直击|张双南:量子纠缠或揭露时空本质,“虫洞+黑洞”实现穿越旅行

张双南教授(文汇讲堂第100期嘉宾)由浅入深解密神秘的银河究竟与人类有着多密切的联系



黑洞自转已可测出,召唤终极物理理论


黑洞,由中心一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小的奇点和周围一部分空空如也的天区组成,是现代广义相对论下,在宇宙空间内存在的一种天体,其视界外存在一圈亚稳态光子晕。


黑洞是否存在?需要去什么样的黑洞?能否找到合适的黑洞?张双南将电影中的难题引至现场。他指出,在《星际穿越》中,黑洞必须同时具有1亿倍的太阳质量和高速的自转,才能产生1小时=7年的效果,并且保证宇航员不被黑洞的潮汐力所撕碎、吸积盘辐射不太强等。目前的研究可证实,许多黑洞高度自转,并且银河系中心存在一个超大质量的黑洞,达到太阳质量的四百万倍。1997年,张双南本人便与崔伟、陈莞合作提出吸积盘辐射连续谱测量黑洞自转的方法,得到广泛应用,被300多篇论文引用。


这些距离地球至少上万光年的黑洞,与人类最直接的联系通道便是虫洞。张双南指出,“虫洞是时空隧道,可以把低维空间很远的点在高维空间建立捷径,而且可以实现时间旅行”。他以《星际穿越》科技顾问,知名理论物理学家基普·S·索恩在《星际穿越的科学》书中提到的为例:宇航员沿着两种路径往返黑洞:第一条路线为2点从虫洞口上方进入,沿着2维空间花5分钟到达虫洞口下方,在上方表显示时间为2:05,下方则显示为1:05;第二条路线为从虫洞口下方花1分钟到达上方,表显示时间为1:06。在这个神奇的旅行中,因为黑洞的存在,宇航员比出发时年轻了54分钟。


张双南:量子纠缠或揭露时空本质,“虫洞+黑洞”实现穿越旅行

理论物理学家基普·S·索恩(左)在《星际穿越的科学》纪录片(右)中提到宇航员沿着两种路径往返黑洞


假想虽美好,张双南指出,截至目前,一套最终统一引力规律和量子规律,以描述和理解黑洞中心行为的终极物理理论并未达成,这也是爱因斯坦的一大遗憾。


爱因斯坦广义相对论发现时空弯曲



时空本质的问题,自古希腊天文学至经典物理学,一直是探讨的热点。亚里士多德的“真空”认为若无阻力,物体将以无限大的速度运动,在真空中事物必须是静止的,没有哪一处与众不同,令物体唯独向该处运动。因为作为真空不允许有差别。张双南提醒听众,这种观点只满足于自圆其说,亚里士多德本人从来无意对他的结论进行验证,他的物理学只停留在哲学的层面。


之后,随着托勒密“本轮说”、哥白尼“日心说”、开普特“三定律”的相继出现,伽利略与牛顿二人共同创立的经典物理学的空间理论得到了普遍的认可:空间是平直的,可以用欧几里得空间几何描述;空间是绝对的,一切物质都在空间中做相对运动;空间是真空,没有任何物质和能量;空间和物质/能量没有关系,不会互相影响。张双南指出,牛顿力学便建立于该认识层面,但事实上这样的空间是一种假设,并无实证基础。他认为,直至爱因斯坦广义相对论的提出后,一种理性思维才真正得以辉煌,成为物理和数学结合的典范。


张双南:量子纠缠或揭露时空本质,“虫洞+黑洞”实现穿越旅行

伽利略(左)与牛顿(右)共同创立的经典物理学的空间理论得到了普遍的认可


张双南以爱因斯坦的电梯假想实验为例,“在加速运动这段‘美妙的时光’里,自由落体的电梯等同于自由空间的笼子,地面上的电梯等同于自由空间加速的火箭”。这个实验证明了引力质量和惯性质量的等效性,为广义相对论奠基。也正因如此,适用于狭义相对论的局部惯性坐标系不再有效。“加速运动的观察者看到的是扭曲的世界,单位时间走过的距离不再是恒定的”,张双南指出,这同时也催发了描述弯曲时空的数学理论代替过去的欧几里得几何,如黎曼几何。


引力波是弯曲时空中的涟漪,LIGO成功探测


广义相对论认为物质影响空间,质量导致空间弯曲,张双南向听众举例一些天文现象,如万有引力、地球和其他行星绕着太阳转等实际原因皆为时空的弯曲,而当下的热门词汇“引力波”则是空间扭曲传播的形式。


引力波的发现实属不易。牛顿曾观测到水星近日点的“反常”运动,他通过理论计算得出每世纪5557.62角秒的进动,而实际观测值为5600.73角秒,二者相减得每世纪43.11角秒。张双南解释道,在当时看来,最好的答案即水星附近还有一颗人类的天体,但是始终未找到这个神秘的天体。到了爱因斯坦,其凭借广义相对论,不但解释了“每世纪43角秒”这个结果,更进一步预言了太阳的质量导致周围空间的弯曲,光线经过太阳附近不能走直线,会使光线偏折一角秒(1°/3600)。1919年,英国天文学家爱定顿在日全食的时候观测到了预言的引力偏折。“一个理论如果只能解释过去的结论,而无非预言未知,就不是科学的理论”,张双南讲道。


张双南:量子纠缠或揭露时空本质,“虫洞+黑洞”实现穿越旅行

英国天文学家爱定顿在日全食的时候观测到了预言的引力偏折


2016年2月11日,LIGO团队以一句“We did it”宣布探测到了引力波,所探测到的是13亿年之前两个黑洞并合发出的引力波。激光干涉引力波天文台LIGO的工作原理是在地面上放置的两个臂长为4公里的探测器,当引力波到来的时候,会使两个探测臂产生振动,一个变长,一个变短,通过激光干涉就可以看到这个现象。两个黑洞并合产生的引力波造成了探测臂的形变,虽然只变化了一个质子直径(10-15米)的千分之一而已,但使探测器上面两束光的干涉的条纹大小随时间产生了变化。


一年前,出席文汇讲堂100期跨界论坛《科学精神对话人文精神》时,张双南便向听众提及在2009年,自己和学生的研究第一次预言,两个黑洞并合只会产生引力波,而不会产生比如电磁波等其他辐射。引力波的探测成功不仅再次证实了广义相对论的成功,同时也证实了张双南和学生的这个预言。“引力波的探测是对广义相对论美的再认识”,张式美学,言犹在耳。


张双南:量子纠缠或揭露时空本质,“虫洞+黑洞”实现穿越旅行

2016年5月7日,张双南做客文汇讲堂第100期(主讲《引力波与广义相对论之美》



宇宙学常数并非爱因斯坦“最大的错误”


私下热衷于科普工作的张双南在分答平台有一个专属号,近四万听众收听。当天现场,他分享了一个自己以59秒语音回答过的问题:宇宙往哪里膨胀?膨胀所占的空间是什么?未被膨胀到的地方遵从相对论吗?


张双南指出,宇宙的膨胀本质上是空间的膨胀。

爱因斯坦曾将他的方程应用到整个宇宙,发现宇宙只能膨胀或者收缩,与当时静态的宇宙观不符。于是,他在方程里面加了一项“宇宙学参数”,也就是充满宇宙空间的“真空能”,抵消引力的影响,维持静态宇宙。然而,1929年,哈勃发现哈勃定律,即远处的星系“退行速度”和距离成正比,,这并不是星系在绝对空间中的退行,而是空间在膨胀,从而产生超光速“运动”。这个发现恰恰与没有宇宙学常数的广义相对论预言一致。爱因斯坦非常后悔,将“宇宙学常数”称为他一生所犯的最大的错误,随即将这一项从公式中删去,但是学术界并没有理会他,宇宙学常数一直留在了方程中。


张双南:量子纠缠或揭露时空本质,“虫洞+黑洞”实现穿越旅行

张双南指出:宇宙的膨胀本质上是空间的膨胀


令人意想不到的是,1998年,两个团队在测量宇宙膨胀如何减速的观测时独立发现,今天的宇宙膨胀在加速,和加入宇宙学常数的广义相对论预言一致。这说明宇宙空间充满了未知性质的暗能量,两个团队也因此于2011年获得诺贝尔物理学奖。“爱因斯坦没错,空间充满了暗能量”,张双南在讲述这个神奇故事的最后总结道。


真空研究各有所“美”,量子力学或可逆


英国理论物理学家狄拉克坚持“美”比“真”重要,张双南笑称,自己也是一个“美学”爱好者。今年的2月,他于《科学人》发表《到底什么是最美的科学公式?》,利用归纳、证实和证伪的方法发现审美的两个要素:审美者的价值观判断审美对象是否有缺陷,见识甄别审美对象是否不常见,认为最美的公式当属爱因斯坦的著名质能公式,“对我来说,E=mc就是最美的科学公式,是美哭的科学公式”,他写道。


张双南:量子纠缠或揭露时空本质,“虫洞+黑洞”实现穿越旅行

爱因斯坦的著名质能公式:E=mc


被负能量态填满的真空:狄拉克审美


1928年被提出的狄拉克方程已可解出自由电子的负能级,这些负能级已被电子占据,而真空则是浸没在负能级电子的海洋中,平时观测不到。张双南指出,当有电子从负能级上被激发出来,留下的空穴表现为一个质量与电子相同、电荷与电子相反的粒子,这就是对第一种反粒子-正电子的预言,而且对所有粒子都成立,已被实验证实。这证明了能量可以从真空中间激发出粒子。


情绪不断变化的“女”真空:海森堡不确定性原理


1927年,海森堡提出不确定性原理,认为量子力学不允许任何绝对确定的事情。能量的变化乘以时间的变化必须大于普朗克常数,即△E X△th/2π。因此,在非常短的时间之内,“真空”的能量的变化必须非常大。张双南介绍道,这就是真空涨落,“因此必须不断地产生“虚粒子对”,即这一对粒子一产生就要自发的灭亡掉,维持能量守恒”。


他向听众提到中山大学天文与空间科学研究院院长、著名科普作家李淼(文汇讲堂第108期嘉宾)的一篇文章《男物理学家眼中的女人与量子》:女子和量子的一个共同点就是不确定性,你永远无法预言她们下一刻想做什么。


张双南:量子纠缠或揭露时空本质,“虫洞+黑洞”实现穿越旅行

中山大学天文与空间科学研究院院长、著名科普作家李淼做客文汇讲堂“人文解读‘四大未知疆域’(太空深海极地网络)系列讲座


不断涨落的真空:卡西米尔效应、双折射、霍金辐射


对于真空涨落的问题,荷兰物理学家卡西米尔曾于1948年提出,在真空中放置两个平行金属板,由于真空涨落,板之间的真空中必须产生“虚光子对”,即电磁波。其中,波长长的那些必须逃出去,相当于从平行板对外有辐射,由于电磁波携带动量,其反冲就对平行板产生压力,平行板就相互吸引。张双南指出,平行板中的真空这一预言已经被实验证实


而在强磁场中的真空研究,真空双折射效应提出在强磁场中,真空涨落产生的正反电子对受到磁场的作用发生分离,变成“磁化等离子体”,产生类似晶体中的双折射效应,这一项预言最近被观测证实。


最惹人注目的或许还属常常爱和人打赌的霍金。张双南提到,霍金辐射正是对于黑洞附近的真空的预言,即在黑洞视界附近,真空涨落产生的“虚粒子对”中的一个粒子可能落入黑洞,另外一个逃走。然而,该项预言还未被实验所证实。


张双南:量子纠缠或揭露时空本质,“虫洞+黑洞”实现穿越旅行

2016年5月7日,文汇讲堂第100期跨界论坛:《创新时代如何留住人文精神》,嘉宾(从左至右):张双南、姚大力、杨燕迪、郁振华


量子纠缠或为时空本源,文汇讲堂开讲呼应


讲座的最后,张双南也发表了一些自己对于当下热门的量子力学的看法。他提到,例如文小刚教授便认为量子纠缠可能是物质和时空的本源,这将能够统一量子和引力的空间。


而当天现场,蔡庆宇便详细向听众介绍了什么是量子纠缠,及其应用。他指出,相对于经典物理学,量子纠缠是一种“新奇的”物理概念。截止到目前,没有任何一个实验和量子力学的理论预言相冲突,该理论可以用来实现量子计算和量子保密通信、隐形传态等经典信息论无法完成的任务。谈到量子纠缠与黑洞辐射、时空穿越之间的关系,蔡庆宇认为真空起伏产生纠缠粒子对,导致黑洞辐射,黑洞辐射信息守恒,暗示着时空穿越的可能性,“量子力学或许是可逆的”。


当天下午,黄浦江的另一侧,文汇讲堂第108期《“墨子号”的成功与中国式的科技创新》成功开讲。中国科学院上海分院副院长、量子卫星总指挥王建宇在现场指出,目前“墨子号”正配合多个地面站,在国际上率先开展星地高速量子密钥分发、星地双向量子纠缠分发和地星量子隐形传态等实验。量子通信产生的密钥保证了信息安全性,在未来的市场上将有很大的应用。


张双南:量子纠缠或揭露时空本质,“虫洞+黑洞”实现穿越旅行

中国科学院上海分院副院长、量子卫星总指挥王建宇做客文汇讲堂第108期主讲《“墨子号”的成功与中国式的科技创新》


致力于科学传播的李淼为现场听众科普了量子传输和隐形传态的概念,也呼应了王建宇的观点。他认为,想在科学上“领跑”,就必须选择一些有可能突破的方向。中国目前的科研体制和政府机制,非常有利于做类似“墨子号”这样先锋式的探索和实验。在量子通信和量子计算上,国家要长期支持,使其能够在民用和商用中可持续发展。

讲座当天,浦东春寒料峭,大人小孩们对太空的好奇却并未削减。张双南以生动而精简的演讲风格,将听众带入无尽的时空探索中,恍若头顶已是漫漫星空。专业工作之外,他爱写科学诗,讲科学故事,还在网络上开设了《极简天文课》,和网友进行科学互动,传播科学的理性与美。

神秘的银河究竟与人类有着多密切的联系,或许在张双南的一首诗歌中可以找到一些遐想的碎片:


张双南:量子纠缠或揭露时空本质,“虫洞+黑洞”实现穿越旅行张双南:量子纠缠或揭露时空本质,“虫洞+黑洞”实现穿越旅行


你和我

从亚里士多德时代就开始相约

我们想一起自由落体逃离尘世

我们一起穿越只留下你情我爱……

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