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量子计算与黑洞之间令人着迷的联系
来源:sinascience | 2020/7/18 9:20:23 | 浏览:32 | 评论:0

量子计算与黑洞之间令人着迷的联系

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。”

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。

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。

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