蟲洞常被想像成穿越空間或時間的隧道——宇宙中的捷徑。但這種圖像源於對物理學家愛因斯坦和納森·羅森工作的誤解。
1935年，愛因斯坦和羅森在研究極端重力區域中粒子的行為時，提出了他們所謂的「橋樑」：連接兩個完美對稱時空副本的數學連結。它並非意圖作為旅行的通道，而是維持重力與量子物理學之間一致性的方式。直到後來，愛因斯坦-羅森橋才與蟲洞聯繫起來，儘管與最初的想法關係不大。
但在新的研究中，我的同事和我表明，最初的愛因斯坦-羅森橋指向比蟲洞更奇特——也更根本——的東西。
愛因斯坦和羅森所處理的謎題從未關乎太空旅行，而是關於量子場如何在彎曲時空中表現。從這個角度解釋，愛因斯坦-羅森橋就像時空中的一面鏡子：連接兩個微觀的時間箭頭。
量子力學支配著粒子等最小尺度的自然，而愛因斯坦的廣義相對論則適用於重力和時空。調和兩者仍然是物理學最深層的挑戰之一。令人興奮的是，我們的重新詮釋可能提供了一條實現這一目標的途徑。
「蟲洞」的詮釋出現在愛因斯坦和羅森工作數十年後，當時物理學家推測可以從時空的一側穿越到另一側，最著名的是在1980年代末的研究中。
但那些相同的分析也清楚地表明了該想法的推測性：在廣義相對論中，這樣的旅程是被禁止的。橋樑的收縮速度比光速還快，使其無法穿越。因此，愛因斯坦-羅森橋是不穩定的且無法觀測的——它們是數學結構，而非入口。
儘管如此，蟲洞的隱喻在流行文化和推測性理論物理學中蓬勃發展。黑洞可能連接宇宙遙遠區域——甚至充當時間機器——的想法啟發了無數論文、書籍和電影。
然而，沒有宏觀蟲洞的觀測證據，也沒有任何令人信服的理論理由在愛因斯坦的理論中預期它們的存在。雖然已提出推測性的物理學延伸——例如奇異形式的物質或廣義相對論的修改——來支持這些結構，但它們仍未經檢驗且高度猜測。
我們最近的工作利用對時間的現代量子詮釋，重新審視了愛因斯坦-羅森橋的謎題，這建立在Sravan Kumar和João Marto提出的想法之上。
大多數基本的物理定律並不區分過去和未來，或左和右。如果時間或空間在它們的方程式中被反轉，定律仍然有效。認真對待這些對稱性會導致對愛因斯坦-羅森橋的不同詮釋。
它不是時空隧道，而是可以被理解為量子態的兩個互補組成部分。在其中一個中，時間向前流動；在另一個中，它從其鏡像反射的位置向後流動。
這種對稱性並非哲學偏好。一旦排除了無限大，量子演化在微觀層面上必須保持完整且可逆——即使在重力存在的情況下。
「橋樑」表達了描述一個完整的物理系統需要兩個時間組成部分的事實。在普通情況下，物理學家通過選擇單一的時間箭頭來忽略時間反轉的組成部分。
但在黑洞附近，或在膨脹和收縮的宇宙中，為了獲得一致的量子描述，必須包含兩個方向。這正是愛因斯坦-羅森橋自然出現的地方。
在微觀層面上，橋樑允許資訊穿過我們眼中看似事件視界——一個「不歸點」的區域。資訊並未消失；它繼續演化，但沿著相反的、鏡像的時間方向。
這個框架為著名的黑洞資訊悖論提供了一個自然的解決方案。1974年，史蒂芬·霍金證明黑洞會輻射熱量並最終蒸發，似乎抹去了所有關於落入其中的資訊——這與量子原理認為演化必須保存資訊的原則相矛盾。
悖論僅在我們堅持使用單一、單向的時間箭頭來描述視界並將其外推至無限大時才會出現——而量子力學本身並不要求這個假設。
如果完整的量子描述包含兩個時間方向，那麼就沒有什麼會真正丟失。資訊離開我們這個時間方向，並沿著反轉的方向重新出現。完整性和因果關係得以保留，而無需引入奇異的新物理學。
這些想法很難理解，因為我們是宏觀生物，只體驗單一的時間方向。在日常尺度上，無序——或熵——傾向於增加。高度有序的狀態自然會演變成無序的狀態，反之則不然。這給了我們一個時間箭頭。
但量子力學允許更微妙的行為。有趣的是，這種隱藏結構的證據可能已經存在。宇宙微波背景輻射——大爆炸的餘輝——顯示出一個微小但持續的非對稱性：偏好一個空間方向而非其鏡像。
這種異常現象困擾了宇宙學家二十年。標準模型賦予它極低的機率——除非包含鏡像量子組成部分。
這種圖景自然地連接到一個更深層的可能性。我們稱之為「大爆炸」的事件，可能並非絕對的開端，而是一個「反彈」——兩個時間反轉的宇宙演化階段之間的量子轉變。
在這種情況下，黑洞不僅可以充當時間方向之間的橋樑，還可以充當不同宇宙學時期之間的橋樑。我們的宇宙可能是形成於另一個、母宇宙中的黑洞的內部。這可能形成於一個封閉的時空區域收縮，然後反彈並開始膨脹，成為我們今天觀察到的宇宙。
如果這種圖景是正確的，它也提供了一種方法來做出決定。來自反彈前階段的遺蹟——例如較小的黑洞——可能在轉變中倖存下來並在我們膨脹的宇宙中重新出現。我們歸因於暗物質的一些看不見的物質，實際上可能由這些遺蹟組成。
從這個觀點來看，大爆炸是從前一個收縮階段的條件演變而來的。蟲洞並非必要：橋樑是時間上的，而非空間上的——而大爆炸成為一個入口，而非開端。
這種對愛因斯坦-羅森橋的重新詮釋並沒有提供穿越銀河系的捷徑，沒有時間旅行，也沒有科幻小說中的蟲洞或超空間。它所提供的是更深層次的。它提供了一個與重力一致的量子圖像，其中時空體現了相反時間方向之間的平衡——而我們的宇宙可能在大爆炸之前就已經有了歷史。
它並沒有推翻愛因斯坦的相對論或量子物理學——它使它們變得完整。物理學的下一次革命可能不會讓我們超越光速——但它可能會揭示，在微觀世界深處以及在一個反彈的宇宙中，時間是雙向流動的。
