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  • 最著名的物理悖论,行将走向闭幕?

    本文来自微信民众号:全球科学(ID:huanqiukexue),作者:乔治·穆瑟(George Musser),翻译:王昱,审校:吴非,头图来自:NASA

    由于量子不肯定性,黑洞会发作辐射(即霍金辐射),并因而逐渐丧失质量,终究完全蒸发。这致使了黑洞信息悖论,任何落入黑洞的东西好像都邑永久消逝,包括信息,而这违背了量子力学中时候演变的幺正性,也就是说关于某个粒子,在全空间内恣意时候找到它的几率应当为1。跟着一系列突破性的论文,理论物理学家已异常接近于处理近50年来一向搅扰着他们的黑洞信息悖论。如今,他们能够确切地说,信息确切离开了黑洞。

    当你跳进一个黑洞,你并不会永久消逝在黑洞中。你身材里一个个粒子的分列体式格局,也就是信息,终归会从新出现。大多数物理学家长久以来由于弦论默许这是天经地义的。但此次的盘算,虽然灵感来自于弦论,却没有触及弦论。信息仅仅经由历程引力和单层量子效应就可以离开黑洞。

    霍金等人试图用量子理论来形貌黑洞内部和四周的物资,然则关于引力则仍运用爱因斯坦典范的理论,这类混搭被物理学家们称为“半典范”。

    新的研讨发清楚明了分外的半典范效应,一种爱因斯坦理论许可,但霍金没有斟酌的新引力构型。当黑洞岁数很大,这类效应会占有主导。这时候,黑洞从关闭转向开放。不仅是信息会泄漏出来,任何刚落入黑洞的东西都邑马上出现。

    这项事变将高度数学的多重盘算技能串在一同,难以诠释,难以邃晓。虫洞、全息原理、出现时空、量子胶葛、量子盘算……基础物理学中险些每个看法都在此出现,让这个主题虽然庞杂杂沓,却也使人恋恋不舍。

    佩奇曲线

    上天下70年代,唐·佩奇(Don Page)在霍金名下读研讨生时入手下手黑洞相干的研讨,他研讨的是让霍金发明黑洞辐射的症结点:黑洞边沿的随机量子历程

    黑洞抛射出的粒子好像没有照顾任何内部的信息。假如一位100公斤的宇航员掉进黑洞,黑洞质量会增添100公斤。但是,当黑洞辐射出相称于100公斤的能量时,辐射中却不包括任何信息,你没法区分这些辐射是来自一位宇航员照样一块铅。

    这是一个很严重的问题,由于黑洞终归要完全蒸发,剩下的只是一堆随机乱飞的粒子,任何掉进去的物体都不大概恢复。这让黑洞的构成和蒸发成了一个不可逆历程,而这好像违犯了量子力学定律。

    霍金和当时大部份理论物理学家接受了这个结论:假如不可逆转性违犯了当时的理论,那应当是理论错了。然则佩奇却觉得不安,由于不可逆转性会违背时候的基础对称性。1980年,他和导师霍金闹掰了,他以为黑洞必需开释,或许最少保存进入黑洞的信息。物理学家分红了两派。佩奇说:“大多数广义相对论学者都认同霍金,然则粒子物理学家更偏向于我的看法。”

    他斟酌的是这个历程当中被忽视的部份:量子胶葛。发射的辐射和辐射源应还坚持量子力学上的联络。假如你零丁观察辐射或许黑洞,它们看起来是随机的。然则假如同时观察二者,它们就会表现出某个情势。就像用暗码加密数据一样,零丁的暗码和加密信息都毫无意义,然则在一同却能解锁信息。佩奇以为,信息能够以相似的加密情势从黑洞中被开释。

    佩奇盘算了黑洞和辐射之间的胶葛总量,这个总量被称为胶葛熵(entanglement entropy)。入手下手还没有辐射时,胶葛熵为零。完毕时没有黑洞,胶葛熵也为零。在中心历程陪伴辐射历程,会发作胶葛熵。整体而言胶葛熵应当像一个倒V字。

    最著名的物理悖论,行将走向闭幕?插图

    图片泉源:Samuel Velasco/Quanta Magazine

    佩奇盘算出,胶葛熵从上升到下落的反转大约在黑洞蒸发历程的一半时发作,这个时候被称为“佩奇时候”。这比物理学家们假定的早许多,在这个阶段黑洞还是庞大的,已知的物理定律在此依然实用,不会出现亚原子大小黑洞致使的种种新鲜效应。

    佩奇的剖析证明黑洞信息问题是一个悖论,而不仅仅是个困难。它暴露了半典范近似的内涵争执。

    乐观来看,佩奇的看法为处理问题铺平了途径。他证明,假如胶葛熵遵照佩奇曲线(Page curve),那末信息就会从黑洞中逃逸。如许,他把争辩转化成了盘算,而物理学家们老是更喜好盘算。

    只管佩奇阐清楚明了物理学家必需做什么,但他们花了快要三十年才弄邃晓要怎样做。

    黑洞表里

    过去两年,物理学家已表明,黑洞的胶葛熵确切遵照佩奇曲线,信息会从黑洞中逃逸。他们分阶段展开了剖析。起首,他们展现了弦论的看法。然后,在客岁秋日宣布的论文中,研讨人员完全切断了弦论的约束。

    这项事变于2018年10月启动,当时艾哈迈德·阿尔姆海里(Ahmed Almheiri)提出研讨黑洞怎样蒸发。阿尔姆海里很快与几位同事一同,应用了胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)于1997年竖立的学说。

    AdS/CFT对偶,全称为反德西特/共形场论对偶,常被称为全息理论。它表明包括量子引力理论的n+1维AdS空间和这个空间n维边境上的共形场论对换。换句话说,研讨黑洞外表和研讨包括量子引力的黑洞内部是等价的,却避开了量子引力,同时也降低了维度。由于这类特征,自从马尔达塞纳引见这类理论以来,它一向都是弦论学者最喜好的游乐场。

    经由多年的研讨,如今物理学家们如今已能肯定黑洞内部和边境的对应关联。个中症结是盘算量子极值外表。就像吹肥皂泡一样,气泡的天然外形请求它外表积最小。量子极值外表并不一定是肥皂泡那样的球面,由于这里运用的多少划定规矩大概和我们一样平常熟习的划定规矩有所不同,量子效应也会对其发作影响。正因云云,能够将其看成黑洞多少学和量子效应的探针。

    经由历程量子极值外表,研讨人员取得两条重要信息。起首,曲面将黑洞内部份成两个部份,它们各自和边境的一部份对应。其次,外表积与边境两部份之间的部份胶葛熵成正比。因而,量子极值外表将多少看法(面积)与量子看法(胶葛)联络起来,从而窥伺引力和量子理论怎样一致。

    用量子极值外表研讨黑洞蒸发时,研讨人员发清楚明了一件新鲜的事变。蒸发初期,边境的胶葛熵如预期那样增添,由于黑洞是这个空间内唯一的东西。到目前为止,霍金的原始盘算表现还不错。

    变化倏忽出现了,量子极值外表在视界内倏忽出现,终究成为致使熵下落的决定性要素。

    最著名的物理悖论,行将走向闭幕?插图1

    图片泉源:Samuel Velasco/Quanta Magazine

    这意味着三件事。第一,这类倏忽的转变标志着新物理学的入手下手,这是霍金没有斟酌到的。第二,极值外表将宇宙一分为二。一部份等效于边境,另一部份是没有信息的风险地带。第三,量子极值外表的位置至关重要。它位于黑洞视界以内。当黑洞削减,量子极值外表和胶葛熵都削减了。这是第一次经由历程盘算得出了佩奇展望的胶葛熵下落。

    2019年8月,阿尔姆海里和另一组研讨者将注意力转向了辐射。他们发明黑洞和它发射的辐射遵照雷同的佩奇曲线,因而信息必需从一个曲线转移到另一个曲线。盘算并没有表明它是怎样转移的,只说会有这类转移。

    他们还发明跟着黑洞的蒸发,底本黑洞深处的粒子不再是黑洞的一部份,而成为辐射的一部份。粒子并没有飞出黑洞,只是被从新分配了。恰是这些内部粒子造成了黑洞和辐射之间的胶葛熵。假如不再是黑洞的一部份,它们就不再对熵有贡献,这也诠释了为什么熵为什么入手下手削减。

    进入虫洞

    目前为止的盘算都应用了AdS/CFT对偶,但毕竟它只是一种学说。下一步离开它来斟酌黑洞。

    研讨人员自创了理查德·费曼(Richard Feynman)在20世纪40年代竖立的看法:途径积分。在量子力学中,从A到B的粒子会经由一切大概的途径,而这些途径又被加权兼并。权重最高的途径一般就是典范物理中获得的途径,但并不是老是云云。假如权重转变,粒子大概从一条途径倏忽移动到另一条途径,阅历一个典范物理中不大概的过渡。

    在霍金看来,一切的途径意味着一切的拓扑。时空大概会构成种种扭结,分外的衔接制造了衔接悠远时空的通道,也就是“虫洞”。科幻小说钟爱虫洞,不过研讨人员此次在剖析黑洞问题时,只是临时采用了这个看法。

    斟酌一切拓扑是不大概的,由于它们是不可数的。所以他们只看那些对黑洞蒸发最重要的拓扑。在数学上,它们被称为鞍点,看上去是相称平直的多少外形。末了,团队运用了部份的拓扑,并将途径积分作为辨认鞍点的序言。

    将途径积分应用于黑洞及其辐射后,就可以盘算胶葛熵了。

    效果显现虫洞和单个黑洞的权重基础上和它们的胶葛熵负相干。虫洞有许多胶葛熵,所以入手下手时权重很低。当它们的熵削减时,霍金辐射不停爬升。终究,虫洞成为二者的主导,接管了黑洞。这类从一种多少到另一种的转变在典范的广义相对论中是不大概的,这是一种固有的量子历程。分外的多少构型和个中的转变历程是此次剖析的重要发明。

    2019年11月,两组物理学家宣布了他们的效果,表明他们重现了佩奇曲线。如许,他们证清楚明了黑洞辐射同时也会带走落入黑洞的信息。弦论不必是对的,即使是弦论坚决的批判者,也能经由历程引力途径积分处理问题。

    还未完毕

    有人对剖析中运用的岌岌可危的理想化假定觉得不安,当今的物理学家是不是落入了某种圈套?

    假如疑心的原因是近来的事变是过于庞杂且开端的,如许的疑心是异常有原理的。物理学家须要时候来消化这些效果——或是发明致命的毛病,或是证明效果准确。毕竟,即使是这些事变背地的物理学家也没有料想他们在没有完全量子引力理论的情况下,就可以处理黑洞信息悖论。事实上,他们以为这个悖论是窥伺这个理论的重要支点。

    但就如今而言,这最多只是开端的完毕,关于黑洞的探究远未到终点。理论物理学家还没有绘制出信息从黑洞中逃逸的历程。订正后的半典范理论还没有诠释信息怎样从新出现,然则在过去两年中,理论物理学家已找到了逃离机制的线索。

    不过庞大的时机每每也伴跟着庞大的应战。假如触及量子引力的深切盘算,全部理论大概反而更难完成。愿望此次物理学家能处理这些问题,而不是被天主开了一个镜花水月的打趣。

    当不小心掉入黑洞的宇航员问可否走出来时,物理学家会回覆:“固然能够!”然则当宇航员问怎样出来时,物理学家使人不安的回覆是:“还不晓得。”

    相干文章

    https://www.quantamagazine.org/the-black-hole-information-paradox-comes-to-an-end-20201029/

    参考文章

    https://www.quantamagazine.org/stephen-hawkings-black-hole-paradox-keeps-physicists-puzzled-20180314/

    https://arxiv.org/abs/hep-th/0409024

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