我们经常在一些科幻作品中，看到有关时空穿越的桥段，瞬间转移、回到过去或前往未来能实现吗？最近，主题为“星际穿越与量子纠缠”的科普大讲坛在上海科技馆举行，中科院高能物理所研究员张双南、中科院武汉物理与数学所研究员蔡庆宇登台，为听众介绍了“黑洞是什么”“如何利用虫洞进行时空穿越”和量子纠缠问题，从科学上分析了时空穿越的可能性。

小实验让你“秒懂”黑洞和引力波

根据广义相对论，时空穿越是可能的，因为空间和时间都会在引力场中发生扭曲，并可能形成“隧道”。

黑洞就会造成时空扭曲。张双南介绍，黑洞是一种天体，其质量大小不一，质量大的黑洞甚至是太阳质量的数十亿倍。它们周围的宇宙空间，会受其引力场影响而扭曲，时间也会发生扭曲。为何如此？张双南举了一个铁球和布面的例子：将一块布固定铺在一个圆框上，其本身最初是平整的，但把一个铁球放上去后，布面就会凹陷。黑洞就像这个铁球，质量大，其周围空间的扭曲程度也大。如果在圆框边缘放一个比较轻的球，它便会滑下去，因为空间扭曲了。广义相对论告诉我们，空间和时间是一体的，空间扭曲后，时间也会变慢或变快。电影《星际穿越》中，主人公库珀前往的那颗行星便在一个大黑洞附近，这颗星球上的1小时等于地球上的7年，其原因便是黑洞扭曲了周边时空。

再以铁球和布面这个实验为例，如果两个球在凹陷的布面上还未接触，而是在不断自转着接近，布面上泛起的波纹就是“引力波”。爱因斯坦1916年预测，当宇宙中发生黑洞合并等“大质量事件”时，所产生的时空波动会像涟漪那样传开，这便是引力波。2016年2月11日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）科学家宣布探测到引力波。这两座相隔100年的科学丰碑，见证了人类智慧的深邃和宇宙奥秘的玄妙。

美国激光干涉引力波天文台（LIGO） 来源：新华社

虫洞是“时空隧道”，可惜还没发现

与黑洞不同，虫洞是物理学家提出的一种“时空隧道”，但还没有被人类发现，或许它们在客观世界中并不存在。1916年，奥地利物理学家弗莱姆首次提出“虫洞”概念——宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。爱因斯坦和罗森在研究引力场方程时，假设其存在，认为通过虫洞可以进行瞬时空间转移与时间旅行。

与黑洞的周边时空相仿，虫洞也是一种时空弯曲。张双南把它比作一条传送带式平面里的通道，从传送带的上方到下方本来需要绕一圈，但如果打通两点，便可以直接垂直通过，十分节省时间。虫洞就是这样一条通道。

虫洞示意图  来源：百度百科

物理学家一度认为，它会在引力的作用下迅速崩溃，在它转瞬即逝的生命中，连光都来不及穿过去。然而后来，物理学家发现负能量可以使虫洞保持稳定，于是人类利用虫洞进行时空穿越的想法开始流行起来，进入了许多科幻作品。电影《星际穿越》中，库珀便是利用虫洞完成了时空穿越。

量子纠缠的状态转移达到超光速

在微观世界，也存在时空穿越现象。1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出一个名为“EPR”（三人姓名的首字母）的思想实验：制备A、B两个粒子的“圆”态，使它们在这一状态中的某个性质（如电子的自旋角动量、光子的偏振）相加等于零，而单个粒子的这个性质不确定；再将它们在空间上分开得很远（例如几光年）；随后测量粒子A 的这个性质。当测得A是“上”，那么测量者立刻就知道B的性质是“下”。这表明，粒子A和B处于一种“量子纠缠”状态。

爱因斯坦将量子纠缠称为“鬼魅般的远距作用”，意味着在2个或2个以上的稳定粒子间会有很强的量子关联，这种关联可以使粒子间的局域操作产生超距作用。蔡庆宇解释说：“比如你有一对纠缠粒子甲和乙，甲在地球上，乙在火星上，还有一个粒子丙。当对甲和丙进行联合测量的时候，丙的状态会瞬间转移到粒子乙上去，这个状态转移是超光速的。”

上世纪80年代，技术条件成熟后，法国的阿斯佩克特等人做了EPR实验。结果发现：EPR对粒子居然真的具有超时空关联！爱因斯坦为驳倒量子力学而构思的实验，反而证明这套理论是正确的。

“墨子号”量子科学实验卫星与阿里量子隐形传态实验平台建立天地链路。来源：新华社

如今，量子纠缠主要被应用于通信领域。中科院院士潘建伟是这个领域的知名专家，提出利用现有技术可以实现量子纠缠纯化的方案，并带领团队完成实验，实现了突破大气等效厚度的量子纠缠和量子密钥分发。随着我国“墨子号”量子科学实验卫星成功运行，量子通信已经不只局限于地面。潘建伟把“墨子号”比作一杆射向太空的标枪，当这张纵横寰宇的量子通信“天地网”织就完成，数据信息将在天地间瞬时传输，而且能达到“无条件安全”的保密效果。

题图来源：视觉中国 图片编辑：朱瓅