纠缠和时空的几何

在1935年,阿尔伯特·爱因斯坦和合作者写的两篇论文研究所的先进的研究。Bob的游戏一个是在量子力学[1],另一个是黑洞[2]。量子力学的纸是非常著名的和有影响力的。它指出一个量子力学的特性,爱因斯坦深感不安。本文在黑洞指出黑洞的一个有趣方面解决方案没有问题,在解决方案看起来像一个虫洞连接的区域时空是很远的地方。虽然这些论文似乎在两个完全断开连接的主题,最近的研究表明,它们紧密相连。

爱因斯坦的广义相对论告诉我们,时空是动力。时空是类似于胶板,可以变形的存在问题。非常剧烈的变形的时空是一个黑洞的形成。当有大量的物质集中在一个足够小的空间区域,这可以以不可逆的方式崩溃。例如,如果我们太阳系大小的球体装满了空气,它将会崩溃成一个黑洞。当一个黑洞形成的时候,我们可以定义一个假想平面称为“地平线”;时空分离的区域,可以发送信号到外部的区域,不能。如果宇航员穿过地平线,她永远不会回来了。她并不觉得有什么特别的跨越地平线。然而,一旦她穿过,将不可避免的被重力为一个地区称为“奇点”(图1)。

外的崩溃问题的分布、黑洞被时空的解决方案由卡尔·史瓦西在1916年发现的。这个解决方案是非常混乱,和一个完整的理解的古典方面不得不等待,直到1960年代。原来的史瓦西解中无论(图1 b)。到处都是真空,但未来和过去的奇点。1935年,爱因斯坦和内森罗斯发现这个解决方案的一个奇怪的方面:它包含两个地区之外,看起来像一个黑洞。即从一个时空,远方是平的。当我们接近中部地区,时空变形生成相同的变形外巨大的对象。,在一个固定的时间的几何空间等,我们在向中心移动,而不是找到一个巨大的物体,我们发现第二个渐近区域(图1 c)。的几何空间看起来像一个虫洞连接两个渐近平坦区域。这是有时被称为Einstein-Rosen桥。他们意识到这之前完整的几何是正确理解。他们的动机是为了找到一个模型基本粒子,粒子是由光滑的几何图形。我们现在认为他们的原始动机是被误导的。这个几何也可以解释为一种虫洞连接两个遥远的区域在同一时空。约翰-惠勒和罗伯特·富勒表明这些虫洞不是可反驳的,这意味着它是不可能亲自去旅行从虫洞的一侧。[3],我们可以认为这个配置一对遥远黑洞。每个黑洞都有自己的视野。但是这是一个非常特别的一对,因为他们通过地平线相连。地平线的距离从一个到另一个通过虫洞是零在一个即时的时间。让我们考虑两个观察者,爱丽丝和鲍勃,外面的每一个黑洞。一个短暂的时刻,两个黑洞的视野,然后他们离开彼此。爱丽丝不能发送信号鲍勃如果她保持她的黑洞视界外。然而,爱丽丝和鲍勃都进入各自的黑洞和满足。这将是一个致命的会议,因为他们会死在奇点。 This is a fatal attraction.

虫洞通常出现在科幻小说或者电影的设备使我们能够超过光速之间遥远的点。这些都是不同于上面讨论的虫洞。事实上,这些科幻小说虫洞需要一种与负能量物质,似乎不可能一致的物理理论。

在黑洞形成免于崩溃,只有史瓦西几何存在的一部分,从物质的存在改变了解决方案。这种情况下,没有虫洞就很好理解了。然而,人们仍然可以询问解决方案的物理解释和两个渐近的地区。毕竟,这是广义相对论的一般球对称的真空解决方案。令人惊讶的是,这种解决方案的解释涉及到爱因斯坦的论文,鲍里斯Podolsky和罗森(电子顺磁共振写于1935年[1]。顺便说一下,EPR论文表明,爱因斯坦确实非常有影响力的工作后,他来到了IAS。

EPR论文指出,量子力学有一个非常有趣的属性后称为“量子纠缠简而言之,”,或者“纠缠。“纠缠是一种关联两个遥远的物理系统。当然,遥远的系统可以存在于经典系统之间的相关性。例如,如果我有一个手套在我的夹克,另一个在我的房子,如果一个是手套,另一个将正确的手套。然而,纠缠是量子变量之间的相关性。量子变量属性不能同时已知;他们是受海森堡测不准原理。例如,我们无法知道一个粒子的位置和速度的精度。如果我们测量的位置非常精确,那么速度就变得不确定。现在,在EPR论文的想法是,我们有两个遥远的系统; in each distant system, we can measure two variables that are subject to the uncertainty principle. However, the total state could be such that the results of distant measurements are always perfectly correlated, when they both measure the same variable. The EPR example was the following (Figure 2). Consider a pair of equal-mass particles with a well-defined center of mass, sayx= 0,也明确的相对速度,说v_rel=v_一个−v_B。首先,一个小澄清。海森堡测不准原理说,位置和速度不能同时。当我们有两个独立的动态variables-two独立的立场和两个独立的velocities-then可以知道的位置和其他的速度。由于质心和相对位置是独立的变量,那么它确实是可以从EPR假定的状态。现在更令人惊讶的是:让我们说两个遥远的观察家,称之为Alice和Bob,测量相应的粒子的位置。他们发现,如果爱丽丝的措施x_一个,那么鲍勃应该衡量x_B=−x_一个。另一方面,如果爱丽丝措施速度v_一个,那么我们知道鲍勃应该测量的速度v_B=v_一个−v_rel。当然,爱丽丝和鲍勃应该每做出选择是否想测量速度或位置。如果爱丽丝措施的位置和鲍勃的速度,他们发现不相关的结果。注意,当爱丽丝决定测量位置,鲍勃的粒子,这可能是很遥远,似乎“决定”也有一个定义良好的位置。另一方面,当爱丽丝测量速度,鲍勃的粒子“决定”有一个定义良好的速度。乍一看,这似乎使瞬时Alice和Bob之间的沟通。看起来,爱丽丝可以编码0和1的消息她决定测量粒子的位置和速度,然后,Bob必须做的就是他的粒子是否定义良好的位置或速度。然而,它可能表明,鲍勃无法“读”这样的消息。这些相关性并不允许我们发送信号比光快。

纠缠似乎是一个非常深奥的量子力学系统的属性。但在过去的20年中,人们发现许多实际用途这些相关性。其中Alice和Bob秘密交流的可能性,确保美国国家安全局(National Security Agency))不是偷听通信。

现在让我们回到黑洞。出现黑洞的一个重要特性,当一个人认为他们作为量子力学的对象。1974年,斯蒂芬·霍金认为,量子力学意味着黑洞温度,较小的黑洞有更高的温度。一个足够小的黑洞可以的。事实上,甚至可以有一个白色的黑洞!这个理论预言尚未验证实验,因为黑洞是自然产生的恒星崩溃太冷辐射是可衡量的。这个黑洞的热性能有一个重要的后果。当我们知道自十九世纪以来,温度是由于大量的运动系统的微观成分。因此,黑洞应该显微组分,可以在大量可能的量子力学配置或“微观状态。“事实上,我们认为,黑洞,从外面可以看到,像普通量子力学系统。

因此,可以考虑两个黑洞,所有的微观状态是“纠缠。“也就是说,如果我们观察一个黑洞的一个特定的微观状态,然后其他必须完全相同的微观状态。一对黑洞在这个特定的EPR纠缠态会开发一个虫洞,或Einstein-Rosen桥通过内部,连接它们。这个虫洞的几何形状是由完全扩展史瓦西几何。有趣的是,虫洞和纠缠天真似乎导致信号的传播速度超过光速。但在这两种情况下这是不正确的,因为不同的详细原因。最终的结果是一样的:我们不能使用他们发送信号比光快。这张照片是发达国家通过年开始工作Werner以色列[4]。最近,讲到我强调这个呃= EPR连接来解决一些关于黑洞内部明显的悖论(5、6)。

有几个有趣的课关于这张照片的几何摆脱纠缠。也许最严重的一个是量子纠缠的独特的和奇怪的财产是在美丽的时空的连续性。换句话说,坚实可靠的时空结构是由于鬼魂纠缠的特性。我们纠缠两个系统与许多自由度,似乎可以生成一个几何之间的联系他们,即使没有直接的两个系统之间的交互。

推荐阅读:丹尼斯Overbye写最近的辩论涉及的量子力学性能与EPR entanglement-originating纸和到达Juan Maldacena最近的发现与伦纳德Susskind-in最近纽约时报文章“黑洞神秘包裹在防火墙悖论”;访问http://ow.ly/nWftw/。