【科学】宇宙的本质与虫洞的探索

摘要：

在科幻电影中，虫洞常被描绘为跨越宇宙的通道。2022年11月，科学家成功创建了人类历史上第一个全息虫洞，展示了在物理学界的重要性与潜力。虫洞不仅在远距离传输中具有应用价值，还可能揭示宇宙的本质。美国物理学家约翰·惠勒提出了涉及虫洞和量子纠缠的多种理论，尽管其研究领域庞杂，但互为关联，且引发深远影响。在量子领域，虫洞与量子纠缠被认为是同一现象的不同表现方式，而全息虫洞的实验则为信息的保存与交流提供了全新的视角。惠勒的观点认为，宇宙的本质或许就是信息的传递，这种看法为我们理解宇宙带来了新的思考。

科幻电影里总是有这样的情节，穿越虫洞，人类就可以到达宇宙的任意地方。这个名场面很可能会实现。2022年11月，科学家创建了人类历史上第一个全息虫洞，这是一次科学上的壮举，实验思路之精妙，过程之精巧，震动了整个物理界。

全息虫洞背后的意义到底是什么？

有人说，瞬间全宇宙，这一秒在宇宙的这头刷的一声，下一秒就出现了宇宙的那一头了。其实这只是虫洞的应用场景，虫洞的意义绝不止于远距离传输，虫洞也许能够让我们窥探宇宙的本质，让我们理解宇宙到底是什么。

虫洞这个概念是美国物理学家约翰·惠勒提出的，惠勒是我最崇拜的物理学家之一。有人可能会奇怪，他没有得过诺贝尔奖，似乎名气也不大，其实不然，没得诺奖并不代表不是大师。他是物理界公认的大师，被称为无面之王，隐形的至尊。为什么这么说呢？因为惠勒提出来的观点随便一听都会让人倒吸一口气，他的观点都是惊世骇俗的，颠覆世界观的。

先来举个例子。1965年，物理学家费曼在接受诺贝尔奖的时候讲了一个小故事。他说他在普林斯顿读博士的时候，有一天晚上他的导师惠勒给他打了一个电话。惠勒在电话中说，费曼，我知道为什么所有的电子都一模一样，那是因为在宇宙中只有一个电子。他用这样的解释说在宇宙的时间线上，一个电子在向前行驶，在某个时间点上，电子会被光子撞上，然后电子就会回过头向反方向走。如果又被光子撞上了，电子还会再掉头走，电子的行走轨迹就像九曲黄河。

如果截取一个平面，也就是在整个宇宙的任意时刻，就会认为世界上有n多个电子。在我们所处的宇宙时刻里，大概有10的80次方的电子。为什么宇宙里会有正电子呢？因为有一半的电子在逆时间而行，表现为宇称相反，电荷相反，当正电子与电子相遇时就会发生湮灭。

费曼听后大为赞赏，立刻提问，如果宇宙中只有一个电子在做折返跑，宇宙中的电子与正电子应该一样多，可为什么我们的世界里大部分是电子，而正电子却非常少呢？对于这个问题，惠勒没有想好，他只能说，或许正电子都藏在了质子里，这就是费曼著名的单电子宇宙假说。这一假说很难证伪，今天也不能说惠勒的假说是错的，但今天的物理学家更倾向于认为电子是波，而非粒子。

下面再介绍惠勒的另一个奇思妙想。我们都知道双缝干涉实验制造两条极窄的细缝。每次只能允许一个光子通过。如果观测光子的运动，光子就会以粒子的形态出现，逐个打在背后的底板上。如果不观察，光子就会变成波，在底板上出现干涉条纹。这就是量子世界反常识的地方，它的最终形态是不确定的，且与观察者有关。

惠勒想，如果在宏观世界也能观测到这种反常的现象，那会怎样？恰好在1980年，天文学家在宇宙中发现了引力透镜。简单来说，就是远方的天体与地球之间正好隔着一个黑洞，黑洞就像折射镜，远方天体的光会被黑洞折射成两个图像发射到地球。惠勒认为，如果用两个串联的望远镜将两个图像分别接收下来，就等同于双缝干涉实验。

如果有人观察，这个时候两个望远镜应该都有图像，但是如果没有人观察，一个望远镜中显示增强型星系图像，而另一个没有图像，那将是恐怖的，这说明两个图像产生了干涉。这就表明，宇宙是处于不确定状态，宇宙是否存在取决于我们对其的观察。这是一个天才的设想。

惠勒之所以被物理界称为大师中的大师，是因为他的思想太活跃。惠勒实际上是一位科学家中的哲学家，总在努力寻找宇宙的本质问题。时间要回到1935年，爱因斯坦与同事内森·罗森共同发表了一篇论文，称为“爱因斯坦-罗森桥”（ER桥）。在论文中，他们认为在两个能够封闭时空的天体之间，可能形成一座连接桥。惠勒将这种能够封闭时空的天体称为黑洞。

惠勒的能力在于，他能把复杂的科学用简单直观的概念表述出来。1935年，爱因斯坦和罗森还与另一位同事波尔·多斯基共同发表了另一篇论文，称为“ETR”论文，研究了当两个量子相互作用时，将产生纠缠的现象，哪怕这两个量子相隔极远，仍会相互联系。

爱因斯坦并不喜欢这个概念，他认为如果量子纠缠真的存在，那变量的相互作用就是超光速的，他戏称这一现象为“幽灵般的超光速作用”。

2013年，物理学家马尔达塞纳给他的朋友苏斯金德写了一封邮件，内容只有短短一行字：“ER=EPR”。苏斯金德是世界著名的物理学家，他心领神会，他们立刻合作写了一篇论文。他们认为，虫洞与量子纠缠在本质上是一回事。用最简单的话来解释，就是两个远距离的量子能够及时地交换信息，原因在于这两个量子之间被我们尚未理解的虫洞连接着。

在爱因斯坦发表虫洞与量子纠缠论文80多年后，科学家们提出了一个大胆的设想，虫洞是宏观世界的量子纠缠，而量子纠缠则是微观世界中的虫洞。

在这个理论指导下，2020年科学家们开始着手创建人类的第一个“虫洞”。这并不是一个物理上真实存在的虫洞，而是通过计算机创造的全息虫洞。普通计算机无法完成这个工作，必须使用量子计算机。传统计算机以比特为基本单位，只能在同一时间存在0或1一种状态，而量子计算机的基本单位是量子比特，可以同时是0或1多种状态，这种效果叫做“叠加”。量子计算机天然可以创建一个模拟虫洞。

科学家们面临的第一步是模拟两个黑洞。这项工作交给了麻省理工学院的天才程序员亚历克斯·兹洛卡帕。兹洛卡帕起初创建了210个量子位的神经网络，然而问题来了，这样的神经网络甚至不能运行。这是一项不可能实现的任务。

经过一年的努力，兹洛卡帕成功将210个量子位简化到7个量子位，这可能是有史以来最小的黑洞。原理是，第一组由7个纠缠的量子充当虫洞的入口，第二组7个纠缠量子作为虫洞的出口。然后再引入两个完成了纠缠态的量子，一个称为探测者，另一个称为参考者。

科学家用探测者替换掉入口处的一个量子，使其与其他6个量子形成新的纠缠。同样，参考者替换掉出口处的一个量子，形成新的纠缠。接着通过操控电压，产生负能量，以保持虫洞的开放，一切准备就绪。

科研团队将信息送到虫洞的入口，信息均匀分布在7个纠缠的量子之间，如同墨水滴入水中渐渐散开。当信息经过虫洞后，被出口处的7个量子接收，参考者回传的数据，这些信息奇迹般地又重新聚合在一起。

这是人类历史上创建的第一个全息虫洞。为了节目能够快速推进，我简化了其中的很多过程，其实这个实验一点也不简单，科学家们整整用了两年的时间，经过了无数次的实验才最终得到了预想的结果。

虽为题外话，但仍值得一提的是，这是我第二次介绍谷歌的量子计算机“悬铃木”。第一次是在2022年2月12日，介绍其创建人类历史上的第一个时间晶体。在那个节目中，我探讨过宇宙存在的目的，认为宇宙的存在目的可能是保存信息。

当我在2022年12月看到谷歌的悬铃木又制造出第一个全息虫洞时，产生了另一个想法，时间晶体与人造虫洞这两件事，其实就是一件事。时间晶体是为了保存信息，而虫洞的目的同样是为了保存信息。

接下来，我想谈谈宇宙的本质问题。时间往回追溯到1983年，惠勒回忆起与爱因斯坦的一段往事。他说，爱因斯坦在发表ER论文后，曾经长时间非常沮丧，量子纠缠可能意味着我们的世界是不确定的，可能会因为观察者而改变。爱因斯坦曾问：“如果我们不抬头看月亮，是否意味着月亮就不在天上？”

惠勒说，尽管爱因斯坦不相信世界可能是主观的，但世界可能正是主观的。因此惠勒提出了著名的“理论参与”观点，简单说，就是如果没有智慧，宇宙就不存在。

举个例子，科学家认为地球上曾出现过1081的人类。今天的人能记住多少人呢？除了历史书上记载的，剩下99.9999%的种族，我们根本不知道他们是谁。换句话说，未被信息记录的东西，是否可以认为它们就不存在呢？

惠勒认为宇宙的本质可能就是信息。有人或许会认为这不是胡说八道吗？我们都是有血有肉的实体，吃饭是为了生存。然而我们活着的目的又是什么呢？或许是为了保存信息。

量子最基本的性质就是传递信息，而纠缠的量子能够表现为0与1之间的任意形态，能保存海量信息。由于量子纠缠超越时空的特性，信息可以突破时间与空间的限制。这样看来，量子天然地就是信息的载体。

由于光速的限制，生命体可能无法穿越宇宙，但信息却不一样，信息没有质量。通过第一个人造全息虫洞实验，我们得出结论，平行宇宙之间可以通过虫洞进行联系，这是一个了不起的实验意义，极其重大。

科学家计算出，光银河系中有1亿个黑洞，这些黑洞可能就是时空的门。黑洞后面到底是什么地方无人知晓。理论上，如果我们能开着飞船到黑洞附近，向黑洞发射无线电波，那么虫洞的另一端就会收到我们发出的信号。

我们必须感谢这个时代，数字化照片、录音和视频可以将我们的存在保存下来。未来，这些信息很可能会通过虫洞传递到其他宇宙。当其他宇宙的智慧生命检索信息时，他们会发现，在2022年初，有一位名叫老鸣的灵长类动物，首先提出了宇宙的目的就是为了保存信息。从某种意义上讲，我可能已经实现了不朽。

当然，这些都是老鸣夸耀的内容，真正的思想者并不是我，而是惠勒，他的思想认为宇宙的本质就是信息。

惠勒的一生虽然平淡却不平凡，他曾与波尔合作，在1942年共同揭示了裂变机制，这是原子能的基本原理。惠勒也是美国第一个氢弹的主要设计者，作为一名教育家，他培养出几代美国物理学家，指导过的博士生多达50位，现在美国宇宙学和天体理论的权威很多都是惠勒的学生。尽管惠勒的名气不如他的合作者波尔，或同事爱因斯坦，甚至低于他的学生费曼，但所有科学家都认为惠勒了不起，因为惠勒是科学家中的哲学家，同时也是预言者，能够通过现象思考问题的本质。

惠勒的故事告诉我们，证明结果的科学家虽伟大，但能够提出前瞻性科学假说的人同样无愧于伟大的称号。

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