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北国少帅 Blog of Shunquan

 
 
 

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让信息穿越虫洞,或许只差一步量子操作!当代物理学两大支柱的冲突迎来全新解释  

2018-01-24 18:22:38|  分类: 纳米技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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众所周知,本届的诺贝尔物理学奖颁布给了对 LIGO 做出过杰出贡献的三位科学家;这其中就包括了加州理工学院物理系教授、引力研究专家 Kip Thorne。这位教授的学术生涯的关键词,也是我们耳熟能详的奇异天体——黑洞。

除了能释放引力波,黑洞还曾被过去不成熟的理论预测赋予过一项神秘的能力,也就是“时间旅行”。在这项预言中,黑洞内部的一种特殊通道“虫洞”链接了未来和过去的两个节点,从而引发了一系列从未来回到过去的悖论。

当然,这一问题早已经被今年的诺贝尔物理学奖获得者 Kip Throne 教授所解决——他在上世纪八十年代用量子涨落理论证明,能量的初始条件禁止虫洞链接过去。

虽然有关黑洞的时间悖论已被解决,但长久以来,还有另一个对我们较为陌生的问题困扰着科学家,那就是——黑洞信息悖论。落入黑洞的东西似乎会消失无踪,而量子力学的原则却告诉我们,宇宙中的任何信息都不能被擦除。

然而,如今的一项最新理论自洽地解释了黑洞的信息悖论。毕业于清华大学,现在是哈佛大学博士生高苹(Ping Gao)、 哈佛大学博士生Daniel Jafferis,以及斯坦福大学研究员 Aron Wall 提出一个新黑洞模型——三位科学家发表了论文“Traversable Wormholes via a Double Trace Deformation”。除此之外,普林斯顿大学教授 Juan Maldacena 也贡献匪浅。

高苹向 DT 君解释道,按照 ER=EPR(有关虫洞研究的重要结论)最早的意思,两个遥远的量子纠缠的黑洞实际上由一个不可穿越的虫洞连接起来,其推广版本是:任何一个 EPR 对(也就是任意两个量子纠缠的粒子)都由一个极其微小的(普朗克尺度的)虫洞连接起来。这些虫洞是不可穿越的,也就是进入一个黑洞的信息不能直接从另一个黑洞中跑出来。所以简单看起来,黑洞依然吃掉了信息。

ER=EPR是一个光芒四射的等式,它将物理学的两大“巨星”连接起来的:ER指的是“虫洞”,EPR指的是“量子纠缠”。前者源于宏观层面上宇宙大质量物体间关系的广义相对论,后者则擅长描述微观粒子间关系的量子力学,这两个领域从来都互不相干,科学家们却用这个等式将二者联系在一起。

“但是我们的模型提出,只需要在黑洞外做简单的量子操作,就可以使虫洞变成可穿越的,然后信息就可以从另一个黑洞中跑出来。我们的工作是基于 ER=EPR。如果 ER=EPR 是正确的,那么我们的虫洞提供了一种部分解决信息佯谬的方案,之所以说是‘部分’,是因为我们的模型只能用于纠缠的黑洞,而不能从任意的黑洞中获取信息。不过,这个模型为进一步解决信息佯谬提供了一个有趣的方向”,高苹说。

想要具体了解他们的这个模型,我们先回顾一下有关黑洞的有趣性质。

让信息穿越虫洞,或许只差一步量子操作!当代物理学两大支柱的冲突迎来全新解释 - 舜筌 - 微尘舜筌

 

在天体物理中,黑洞是大质量恒星在自身引力作用下坍缩的产物。根据广义相对论,黑洞的中心存在一坍缩的奇点,而这神秘的奇点被严实地裹藏在一层漆黑的“视界”当中。就像电影《星际穿越》所讲述的那样,物体在坠入视界瞬间才算消失在了黑洞当中,而我们永远无法看透这一层视界,观测其中的奇点。

虽然广义相对论认为任何物体都无法逃逸黑洞的视界,现代理论却早已把这个铁律打破。1974 年,著名物理学家史蒂芬霍金得出结论,黑洞物质会从内向外蒸发,并以现在被称为“霍金辐射(Hawking radiation)”的粒子形式缓慢从视界上溢出。

这样一来问题就出现了:如果信息掉入黑洞,它将迎来什么样的结局?

当代物理学的两大支柱的冲突

面对这个问题,当代物理学的两大支柱、20世纪的两个重要的物理符号——量子力学和广义相对论——给出了截然相反的答案。

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因为,根据霍金的计算,黑洞辐射出的粒子是完全随机的,其中不包含与黑洞内部有关的信息,也就是说这些信息消失了。

这违反了一个名为“幺正性(unitarity)”的量子理论的支柱性原则。该原则认为,在粒子相互作用中,其包含的信息永远不会无端消失,只会变得越来越繁复庞大。我们都知道运动这一过程存在着方向和快慢,而“方向”、“快慢”、“动量”、“振幅”等物理量都是粒子在运动过程中所携带的信息。在宇宙物质随着时间的流逝而相互作用后,这些信息可能会改变,却不可能无故消失。

所以,按量子力学的原则而言,如果宇宙时光倒流,我们就会看到事物会遵照其经历逆变回初始的状态。而按照霍金辐射理论,黑洞会把物质整个吸入之后,会以随机的方式辐射粒子,也就是说,黑洞把这些信息“吃掉了”吐出来的东西也不再包含原来的信息。

上述的这些冲突就是“黑洞的信息悖论”。

几乎每个人都相信幺正性是正确的,这意味着掉入黑洞的信息必须要从黑洞中出来,而不是沦为随机辐射的粒子。但它们如何出来?又会以什么方式出来呢?这些还都还是未解之谜。

在过去五年里,一些理论学家甚至认为黑洞就是一个空壳;其中最着名的当属加州大学圣巴巴拉分校教授 Joseph Polchinski,他认为黑洞内部根本不存在。

但是,主流理论家仍然相信黑洞内部空间的存在。但这意味着,他们必须能够解释掉入黑洞内部的信息如何不受损坏地被“吐出来”。

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虫洞的存在解决黑洞信息悖论

几个世纪以来,科学家对黑洞内部的状态提出过无数基于不同基础理论的模型,这些模型都有着各式各样的缺陷。众所周知,黑洞的内部可能存在虫洞,而黑洞本身是虫洞“时空隧道”的入口。

在该基础上,高苹、Daniel Jafferis 以及 Aron Wall 所提出的新型“可穿越虫洞(Traversable Wormhole)”却就在符合广义相对论的前提下,为解决黑洞信息悖论搭建了一个富有前瞻性的构想。

在构想中,入虫洞一端的信息能在另一端被复原。他们在一个负弯曲的时空几何中设置了该类虫洞,而这种时空几何在通常被用在量子引力理论,虽然并不符合我们宇宙的真实情况,但只要两个黑洞以正确的方式被连接,这种新虫洞就会在现实世界中出现。

Jafferis 解释道:“这两个事件(黑洞的连接和新虫洞的出现)必须是因果关系。如果使其中一个黑洞的霍金辐射粒子落入另一个黑洞,这两个黑洞之间就会发生纠缠,而掉入一个黑洞的量子信息也会从另一个与之相连的黑洞出来。”

对新虫洞的研究初始于 2013 年,当时 Jafferis 在韩国的 Strings 大会上出席了一个演讲活动。当时,普林斯顿大学高级研究所物理教授 Juan Maldacena 在会上发表了有关虫洞研究的重要结论——“ER = EPR”。该理论由 Maldacena 和 Susskin 共同提出。

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 这个理论是什么意思呢?

ER 的全称为 Einstein-Rosen Bridges,意为称为爱因斯坦 - 罗森桥,是爱因斯坦和纳森·罗森在研究引力场方程时提出的,链接两个不同时空的狭窄隧道——直白的说就是“虫洞”最初的学名。

而 EPR 则是 Einstein-Podolsky-Rosen pairs(爱因斯坦 - 波多尔斯基-罗森对),或“EPR”对。EPR 对其实就是一对相互纠缠的粒子,这一概念我们都不陌生。爱因斯坦的著名描述“鬼魅般的超距作用”就出自于对量子纠缠现象的描述。

这两个概念看似毫无相关,因为爱因斯坦 - 罗森桥是描述大尺度宏观现象的广义相对论的产物,而 EPR 对则是对微观量子行为的理论描述。也许如果不是因为对黑洞的探索,没有哪个天才会把这两个理论联系在一起。于是,Maldacena 提出的“ER = EPR”在 2013 年首次在黑洞研究领域把相对论和量子物理联系在了一起,成为了宇宙学中具有里程碑意义的一个理论。

在 Maldacena 研究的基础上,Jafferis 很快意识到虫洞和纠缠粒子对的对等关系可能在实质上解决黑洞的信息悖论,于是高苹、Daniel Jafferis 和 Aron Wall 开始了新一轮对虫洞的探索。

虫洞与量子隐形传态

经过几年的努力,他们的工作终于将 ER=EPR 拓展到了量子信息论的层面上,并证实该理论模型与量子隐形传态原理相同。

简单而言,他们三人在“EP=ERP”的基础上扩展了虫洞模型,说明被黑洞洞口吞噬的信息将通过虫洞从另一端被“吐出来”,且与量子隐形传态的原理相同,从而解决了黑洞信息悖论。也就是说,量子纠缠和虫洞很可能是等价的!


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对于量子隐形传态这一名字,想必我们都有所耳闻。今年八月份,我国科学家潘建伟团队就在《自然》发表了通过“墨子号”实现量子隐形传态的重大突破。简单的回顾一下,我们可以用一个金典思想实验来概括所发生的情况:Alice 和 Bob 分别拥有一对纠缠粒子中的 a 和 b。有一天,Alice 想传送一个量子比特 q 给 Bob,她准备了 q 和 a 的组合态,然后对该组合态进行测量(将组合态坍缩为一对经典比特,1 或 0),并将测量结果发送给 Bob。在收到测量结果后,Bob 便可参照该结果在纠缠粒子 b 上重建状态 q。

于是,量子信息便从一个地方被传递到另一个地方。更重要的是,回到信息论的层面上,宇宙信息的幺正性得以保留——虽然 A 的量子态坍缩,却在其后从 B 的状态上呈现了出来。

把这一概念套用在虫洞模型上来,这两个被虫洞相连的黑洞可以完成与量子信息传送实验同样的事,信息会穿过虫洞从另一个黑洞出去。

假如 Alice 将量子比特 q 投入黑洞 A,然后测量由该黑洞的霍金辐射产生的粒子,然后再通过黑洞外部的宇宙将测量结果传给 Bob。一个由霍金辐射产生粒子从黑洞 B 出来,收到测量结果的 Bob 随后便可根据结果对该粒子进行操作以重建 q。这听起来像是落入黑洞 A 的粒子从黑洞 B 跑了出来,而这也是一些物理学家对此感到兴奋的原因:高苹,Jafferis 和 Wall 提出的新虫洞允许掉入黑洞的信息被复原。

对此,加州理工学院的黑洞和量子重力专家 John Preskill 表示:“该发现拯救了我们所说的‘黑洞互补性’,这意味着黑洞的内部和外部并不是真正的两个不同的系统,而只是以两种互不相同但互补的方式来观察同一个系统。”同时正如我们之前所讨论,新的虫洞还保障了宇宙的幺正性,即信息永远不会丢失。

Preskill 补充道:“无论什么落入一个黑洞,最终都会以令一个黑洞霍金辐射的形式出来。在某种意义上,这可以被认为是黑洞内部的一个非常混乱的副本。”

如何更加形象地呈现黑洞与霍金辐射粒子之间的纠缠关系呢?

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 在 Maldacena 有关 ER = EPR 的论文中,包括一个被称为“章鱼(octopus)”的草图:一个带有类似触角一样虫洞的黑洞,导致远离自身的霍金辐射粒子被蒸发掉。论文作者对此解释说,该草图说明了黑洞与霍金辐射之间的纠缠方式,我们希望这种纠缠会带来黑洞内部几何结构的存在。

明显地,在该几何构想中,每一个辐射出来的粒子都与黑洞本身相互纠缠。甚至可以说,每个粒子本身都是一个微型虫洞,我们可以通过集体操控这些粒子来还原从另一端掉入黑洞的信息。加州理工学院的 Preskill 甚至表示:“至少对于一个无限先进的文明来说,通过操纵黑洞的霍金辐射来影响黑洞的内部是可能的。”

对此,Maldacena 的合作者 Stanford 表示:“该设想的提出是为了用虫洞来恢复落入黑洞的信息。为此我们要收集黑洞的霍金辐射,并以复杂的方式对其进行处理。这种复杂的集合性测量,能揭示关于落入黑洞的信息的原貌,这需要在草图中无数的章鱼触角间创造一个大型虫洞。然后,所有的信息都将通过这个大虫洞进行传递”。Maldacena 对此补充道:“简而言之,这可能会为量子力学带来一个新的,广义几何概念(关于 ER = EPR)。我们认为量子引力理论也应该遵循这一原则。而在研究中,我们则更多地将其视为一种指导性设想,而非严谨的理论。”

“我们的模型对 ER=EPR 还有一个非常重要的意义,它使得我们能原则上验证这个猜想”,高苹说。

在了解了这些关于虫洞的奇异设想之后,我们不禁为物理定律的完备性和宇宙恰如其分地简洁性而惊叹——原来宏观事物可以以如此巧妙的方式与微观现象相连。也许虫洞和量子纠缠只是一块硬币的正反两面,也许相对论能与量子场论统一,也许人类有朝一日能剥开黑洞视界的铁幕,去解开时空奇点的迷。

没有人知道物理定律将允许人类文明走到何处,但至少我们求索的脚步不会停歇。


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