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量子实验中的黑洞:理论与实验如何推动物理学发展?



北京时间8月3日消息,在物理学中,我们通过猜测发现新的定律,然后将猜测的结果与实验结果进行比较。正如著名物理学家理查德·费曼经常被引用的那句话:“你的猜测有多么优美并不重要,你就算再聪明也没有关系……如果它和实验不一致的话,那就是错误的。”

我们能验证量子物理如何影响黑洞和大爆炸的猜想吗?

我们能验证量子物理如何影响黑洞和大爆炸的猜想吗?

这就是物理与数学的本质区别。数学家也会猜测,而他们对真相的最终裁决是严格的证明。物理学家可能会使用甚至发明复杂的数学工具,但他们却有着不一样的终极目标:解释宇宙的本来面目。因此,实验在物理学中是必不可少的。

当然,实验验证可能远远落后于我们的理论推测。科学家花了100年时间,才在地球上探测到来自宇宙深处的引力波;希格斯玻色子的发现则花了50年。二者都需要大量的独创思维、技术发展和货币投资。这些实验观察不仅证实了理论预测,还带来了一些新的知识,为进一步的研究提供了线索,比如我们预计天体物理源能够产生可探测的引力波,但并不知道这些源在宇宙中有多普遍;我们有理由相信希格斯玻色子的存在,但仍然不能确定它的质量。

量子引力的研究是理论先于实验的极端例子。科学家对原子和亚核粒子尺度的量子物理已经有相当令人满意的理解,但对于非常强的引力,目前还没有得到实验验证的量子理论。如果没有这样的理论,我们就无法了解大爆炸后的早期宇宙发生了什么,也无法预测宇航员在难以想象的高密度黑洞中会有怎样的命运。我们需要实验来指导方向,但实际情况却令人沮丧,难以捉摸。

粒子物理学的历史提供了有益的类比。到了20世纪50年代,科学家有了一个与实验相符的弱核力理论。但由于纯粹的理论原因,我们知道该理论存在缺陷,而且并不完整;我们甚至可以估计,该理论的预测在10^-18米或更短的距离尺度上将会失效。最终,强大的粒子加速器终于使科学家能够在如此小的尺度上探索物质,也由此发现了新的现象,如W玻色子、Z玻色子和希格斯粒子,指向了一个更完整的理论。

至于万有引力,我们有充分的理由相信目前的理论是不完整的。在这里,我们也可以估计新现象必然出现时的距离尺度:大约10^-35米。不幸的是,利用现有技术建造一个能够探测到这种尺度的粒子加速器,其规模将和整个银河系差不多大。很显然,即使在遥远的将来,这也是遥不可及的。

既然用“蛮力”来研究量子引力行不通,我们就必须找到一种更巧妙、更间接的方法来取得进展。事实上,科学家确实提出了各种在实验室中探测量子引力的建议,所有这些建议并不一定是徒劳的,只是都需要实验人员的“英勇”努力。这里就让我们来讨论一种令人兴奋的特殊方法。

为了理解这种方法,让我们先把目光投向量子效应下黑洞的形成及其最终蒸发,这是量子引力研究的典型现象。一开始,在实验室里做相关的实验似乎是不可能的,更不用说充满了危险。但是,也许还有另一种办法。

量子引力的理论研究已经在同一物理现象的两组不同公式之间建立了惊人的等价性。由于这种等价性,黑洞的生命周期可以用完全不同的语言来描述,完全不涉及引力。相反,“双”量子系统由许多强相互作用的粒子组成。当前研究的目标之一,就是充实能够翻译这两种语言的词典,并使之具体化。

对同一基本物理现象的两种不同描述的等价性,似乎“仅仅”是一种数学观察,但它对实验的影响是深远的。事实证明,研究黑洞的非引力描述所需要的实验工具,正是物理学家已经开发出来的工具,尽管出于完全不同的原因——用来操作量子设备并解决非常困难的计算问题。之所以如此,是因为在量子重力模拟和量子计算中,我们需要存储一个由许多粒子组成的复杂系统,并精确控制它们之间的相互作用。

科学家一直对量子计算和黑洞非常感兴趣,二者之间的联系令人着迷。可以肯定的是,量子计算技术还不成熟,所以我们短期内无法在实验室里模拟出一个真实的黑洞。但这没关系,我们可以将就着研究一些能捕捉到量子引力有趣特征的简化模型。这些模型都有着一定的指导意义,而且随着量子技术的进步,科学家未来将能够进行越来越复杂的实验。

此外,二元性是双向的。量子计算机不仅能帮助我们理解量子引力;通过将许多强相互作用粒子的行为与引力现象联系起来,我们也能更好地理解这种行为。通常情况下,如果我们将一些信息印在一个强相互作用系统的特定位置,这些信息会迅速传播,很快就变得非常难以阅读。但是在某些情况下,由于某些尚不明确的原因,信息最终会重新聚焦,并在距离很远的地方变得容易阅读。

如果翻译成“双引力”的语言,这一神秘的过程就更容易理解。在这个框架中,虫洞连接着空间中两个遥远的点。印迹信息在进入虫洞的一端时消失,然后在另一端重新出现。物理学家希望能对复杂现象做出如此直观的解释,而实验主义者和理论学者的共同努力,必将带来同样的深入见解。

我们有时担心,随着科学的发展,它会不断分裂成越来越窄的专业,彼此之间的相互作用也越来越少。但是,目前也出现了一个相反的、更有力的趋势:随着知识的进步,在不同领域工作的科学家发现他们有越来越多可以相互学习的东西。高能理论物理学家的猜想所推动了在实验室中探测量子引力的可能,但凝聚态物理学家、原子物理学家和计算机科学家也提供了必不可少的专业知识。这些不断加深的联系令人兴奋,也让我们对量子物理学的未来充满信心。(任天)