探测量子引力:量子计算和黑洞之间迷人的联系

2020-07-17 10:51 来源:新浪科技

据国外媒体报道,在物理学中,我们通过猜测发现了新的定律,然后将猜测的结果与实验结果进行了比较。正如著名物理学家理查德费曼常说的那样:“你的猜测有多美并不重要,你是否聪明也不重要.如果它与实验不一致,那就错了。”

这是物理和数学的本质区别。数学家可以猜测,他们对真理的最终决定是一个严格的证明。物理学家可能使用甚至发明复杂的数学工具,但是他们有一个不同的最终目标:解释宇宙的真实本质。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年时间才探测到地球上宇宙深处的引力波;发现希格斯玻色子花了50年时间。两者都需要大量原创思维、技术开发和货币投资。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。例如,我们预计天体物理源会产生可探测的引力波,但我们不知道这些源在宇宙中有多常见;我们有理由相信希格斯玻色子的存在,但是我们仍然不确定它的质量。

量子引力的研究是理论先于实验的一个极端例子。科学家们对原子和亚核粒子尺度上的量子物理有着令人满意的理解,但是对于非常强的引力,还没有量子理论被实验所证实。没有这样的理论,我们就无法理解大爆炸后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的命运。我们需要实验来指引方向,但实际情况令人沮丧且难以捉摸。

粒子物理学的历史提供了一个有用的类比。到了20世纪50年代,科学家们有了与实验一致的弱核力理论。然而,由于纯粹的理论原因,我们知道这一理论是有缺陷和不完整的。我们甚至可以估计,在10-18米或更短的距离范围内,这一理论的预测将会失败。最后,强大的粒子加速器使科学家能够在如此小的范围内探索物质,从而发现了新的现象,如W玻色子、Z玻色子和希格斯粒子,这指向了一个更完整的理论。

至于重力,我们完全有理由相信目前的理论是不完整的。在这里,我们还可以估计新现象不可避免时的距离尺度:大约10-35米。不幸的是,利用现有的技术来建造一个能够探测这种规模的粒子的加速器,其大小大约相当于整个银河系。显然,即使在遥远的未来,这也是遥不可及的。

由于用蛮力研究量子引力是不可行的,我们必须找到一种更巧妙和间接的方法来取得进展。事实上,科学家们已经为在实验室中探测量子引力提出了各种建议。所有这些建议不一定是徒劳的,而是需要实验者的“英勇”努力。在这里,让我们讨论一个令人兴奋的特殊方法。

为了理解这个方法,让我们先来看看在量子效应下黑洞的形成和最终蒸发,这是量子引力研究中的一个典型现象。起初,在实验室里做相关实验似乎是不可能的,更别说充满危险了。然而,可能有另一种方法。

量子引力的理论研究已经在同一物理现象的两个不同公式之间建立了惊人的等价关系。由于这种等价性,黑洞的生命周期可以用一种完全不同的语言来描述,完全不涉及重力。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是丰富和具体化能够翻译这两种语言的词典。

对同一基本物理现象的两种不同描述的等价似乎只是一种数学观察,但它对实验的影响是深远的。事实证明,研究黑洞非引力描述所需的实验工具正是物理学家开发的工具,尽管——被用于操作量子设备和解决非常困难的计算问题,原因完全不同。这是因为在量子重力模拟和量子计算中,我们需要储存一个由许多粒子组成的复杂系统,并精确控制它们的相互作用。

科学家们一直对量子计算和黑洞感兴趣,它们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,所以我们不能在短时间内在实验室模拟一个真正的黑洞。但没关系,我们可以研究一些简化的模型来捕捉量子引力的有趣特征。这些模型具有一定的指导意义,并且随着量子技术的发展,科学家将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,我们也可以更好地理解这种行为。通常,如果我们在一个强大的交互系统的特定位置打印一些信息,这些信息会迅速传播,变得非常难以阅读。然而,在某些情况下,由于一些不清楚的原因,信息最终会重新聚焦,变得易于远距离阅读。

如果翻译成“双重重力”的语言,这个神秘的过程就更容易理解了。在这个框架中,虫洞连接了空间中两个遥远的点。印记信息在进入虫洞一端时消失,然后在另一端重新出现。物理学家希望对复杂现象做出如此直观的解释,实验学家和理论学者的共同努力肯定会带来同样的见解。

我们有时担心,随着科学的发展,它会被分成越来越窄的专业,它们之间的相互作用会越来越少。然而,有一个相反的更强大的趋势: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的东西可以互相学习。高能理论物理学家的猜想促进了在实验室中探测量子引力的可能性,但是凝聚态物理学家、原子物理学家和计算机科学家也提供了必要的专业知识。这些不断加深的联系令人兴奋,让我们对量子物理学的未来充满信心。(任何一天)