科学家真的制造出了“虫洞”吗？

一切要从2022年11月30日的《自然》（Nature）杂志说起。这一期中，这个在全世界科学界有着崇高声誉的期刊以封面报道的形式刊登了一篇论文《量子处理器中的可穿越全息虫洞动力学》（Traversable wormhole dynamics on a quantum processor）。论文作者是以玛丽亚·斯皮罗普鲁（Maria Spiropulu）为首的一组加州理工学院的物理学家。他们利用谷歌的悬铃木量子计算机（Sycamore quantum computer）模拟了一个全息“虫洞”（wormhole）——一种只在理论上存在的穿越时空的捷径。

这篇论文迅速在物理学界引起了极大关注，而后大众媒体迅速跟上。一些人看到诸如“时空”“相对论”“量子计算”“虫洞”之类的关键词，难免会感到激动万分，以为科学家们取得了重大突破，平时在科幻电影中看到的时空穿梭即将成真；另有一些物理学家则感到气愤不已，他们认为这项实验并没有取得任何实际突破，却制造出了一个巨大的噱头。对于科学家来说，这样做并不算诚实，甚至可能会让大众对科学失去信心。

客观来说，这篇论文中的一串关键词确实引人瞩目。而它迅速引起如此之大的反响，归根结底与物理学家们百年来所追求的最终目标有极大的联系。自从20世纪初的物理学革命发生以来，量子力学和广义相对论就成为了现代物理学的两根坚实的支柱。但是令物理学家们感到迷惑甚至尴尬之处在于，这两个理论不仅描述的领域有所区别（一个描述微观领域，另一个描述大尺度的时空），而且从数学形式乃至概念上都有着巨大的矛盾，这也就造成了一个当代物理学的奇观——物理学家们只能根据不同的场景选择不同的理论去解决问题，而对于这两个理论之间存在的根本性矛盾暂时视而不见。

百年来，物理学家对于这个“大统一”问题所取得的进展并不多。它也因此成为了当代物理学最重要，最深刻的问题，关乎人类究竟该如何理解时空。在20世纪，根据对于广义相对论的研究，科学家们不仅发展出了关于神奇天体“黑洞”的概念，还提出了存在一种在时空中建立一个通道进行穿越的可能性。物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）为其命名“虫洞”（wormhole）。惠勒善于为深奥的物理学概念命名，“黑洞”（black hole）同样来源于他。

物理学家想要统一量子力学和广义相对论的努力一直没有停止。从20世纪90年代开始，由诺贝尔物理学奖得主杰拉德·特·胡夫特（Gerard't Hooft），斯坦福大学物理学家伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind）等人提出了“全息原理”（Holographic principle）。这个原理由弦论演化而来，从概念上倒与柏拉图在《理想国》中讲述的“地穴寓言”有些相似之处，认为人们所感受到的时空和引力都是源于一种量子效应的“投影”，类似于可以在二维空间进行三维的全息投影。在1997年，理论物理学家胡安·马尔达西那（Juan Maldacena）又通过数学手法证明了全息原理在“反德西特空间”的一个特例。这个特例如今被称为“反德西特/共形场论对偶”（AdS/CFT correspondence）。20多年来，很多物理学家都希望能够沿着这条路统一量子力学和广义相对论，证明时空和引力都是更真实宇宙的一种全息投影。

斯皮罗普鲁的团队，正是在反德西特/共形场论对偶的基础上，把一种在特殊条件下利用“虫洞”传输量子态的“虫洞传输协议”（wormhole teleportation protocol）大幅简化，之后利用9个量子比特的谷歌的悬铃木量子计算机模拟了在“反德西特空间”中的等效虫洞效应。可以说，通过量子计算机的实验，科学家们首次观察到了此前只在理论中存在的在特殊条件下通过虫洞进行量子态传输的等效现象。

这个成果本身并无太大争议。但很多物理学家的不满，甚至是愤怒也正是源于此。例如哥伦比亚大学的理论物理学家皮特·沃伊特（Peter Woit）与科普作家约翰·豪根（John Horgan）都对此进行了严厉批评。一些批评者认为，这个实验在理论上所验证的反德西特空间（Anti-de Sitter space）与我们实际所在的德西特空间有着根本的差异——前者有其边界而后者则没有，因此并不能把对前者的模拟实验直接转换到后者。也就是说，这个实验对于人类理解时空的本质并没有帮助，更不能说科学家们制造出了“虫洞”。另外，这个实验所模拟的是2维时空——一维空间加上时间维度，而真实世界中引力作用是在4维时空之中，要远比2维时空更加复杂。沃伊特讽刺地写到，这次媒体的关注度堪比当年发现希格斯玻色子，但在实际上却没有任何科学进展。

归根结底，量子力学与广义相对论的分歧仍然是当今物理学研究最大的难题。而全息原理也只是人们为了解决这个难题所做的努力之一。在此基础之上，萨斯坎德与马尔达西那曾经提出“ER=EPR”，意为在极大与极小尺度之间存在着联系，粒子之间神秘的量子纠缠，实际上是通过虫洞进行连接。这个想法固然玄妙，也还只是一个未经证实的假说。物理学的最大难题仍未被解答，人们仍然希望理解时空和引力的本质。我们也只能期待，在这场模拟虫洞的热潮过后，新的契机或许便会出现。 物理