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再论黑洞火墙与量子纠缠

2013-11-07 09:40 作者:苗千来源:三联生活周刊
这次物理学界的大争论,与物理学史上的其他争论最大的区别就在于它是完全基于理论产生的悖论,而没有(也不可能有)任何实验的证据支持其中的任何一方。


爱因斯坦

一场从2012年夏天开始的争论,到如今愈演愈烈。理论物理学家们还在为此思考,并且为之感到迷惑、为难或是激动。这群从事着可能是世界上最奇特职业的人思绪集中在宇宙中一个人类完全无法抵达的区域,在这里,理论物理学和理论物理学家们都遇到了大麻烦。在这一年多的时间里,争论与其说是使理论物理学家们取得了进步,倒不如说是让他们退回到了40年前的境地,现在这些理论物理学家们不得不面对这样的问题:量子力学到底出了什么问题?

这群理论物理学家争论的焦点仍然集中在黑洞这种宇宙中最奇异的天体上。在宇宙中一些死亡的恒星最终可能会由于自身重力的坍塌而形成黑洞,这是由广义相对论推导出的一个自然的结果(虽然爱因斯坦本人并不相信),虽然宇宙学家无法直接观测到黑洞的存在,人们却已经通过很多种间接的方式证明了黑洞是一种在宇宙中普遍存在的天体,比如说在银河系的中心,就存在着一个超大型黑洞。当然,这并不是现在理论物理学家们关注的问题,黑洞对于理论物理学家们来说,有着另外一层更深远的意义,它是目前人类物理学的两大支柱:量子物理学和广义相对论交锋的场所。

量子力学主要描述的是在极小尺度下的物理规则,而广义相对论则通常是用来描述大尺度的宇宙空间的性质,可以说这两种理论有着各自的适用范围,但矛盾在于,这两种理论在目前无法融合在一起。物理学家们通过广义相对论推导出了黑洞的存在,但是这种奇特的天体却具有显著的量子效应,也就是说,这两种理论都可以在黑洞的性质中得到体现,无怪它成为两种理论交锋的最新场所。

引发争论的源头还是那篇在2012年7月份,美国加州大学圣芭芭拉分校两位理论物理学家和他们的学生(如今这四个人作为引发争论、发现这个悖论的创始者被称为AMPS)发表的论文预印本:《黑洞:互补性或是火墙?》(Black Holes:Complementarity or Firewalls)。这篇论文把量子物理学和广义相对论的矛盾集中在了黑洞的边界——视界(Event Horizon)上,这让这场震动了整个物理学界的争论有了一点坐而论道的意味:没有任何人可以接近黑洞,或是真正在黑洞的边缘进行实验,但是这些全人类最优秀的头脑却在思考一对在黑洞的视界边缘、状态紧密的相关粒子,如果当其中之一进入了黑洞,会发生什么情况。在理论上,这种由广义相对论推导而出的天体遭遇到量子力学中最为奇特的一种现象:量子纠缠(Quantum Entanglement),矛盾也就由此产生。

爱因斯坦从来没有掩饰过他对于量子力学的不信任,他不认为量子力学的概率性表达揭示了自然界的规律,他对于量子力学中玄而又玄的量子纠缠现象尤其怀疑,称这种现象为“鬼魅般的超距作用”(Spooky Actionata Distance)。两个处于纠缠态的粒子,无论相隔多少光年,它们之间的状态始终不受空间的影响,相互纠缠,这明显违背了相对论,但是令人不安的是,量子纠缠现象已经被各种实验证实,成为了量子力学最基础的概念之一。如今,在黑洞的边缘,这种鬼魅般的超距作用,似乎准备开始报复爱因斯坦,于是理论物理学又面临着这样一个问题:爱因斯坦错了吗?广义相对论的等效原理是否还适用?

美国航空航天局于8月29日公布的超级黑洞示意图

在黑洞的边界,当一对处于纠缠态的粒子其中之一留在黑洞之外,而另外的一个粒子进入了黑洞的视界,会发生什么情况?根据广义相对论的预测,这个进入黑洞领域的粒子除了永远不能再逃出黑洞之外,不会有任何特殊的经历。根据广义相对论的等效原理,即使是一个人进入了黑洞,也不会有十分特殊的感受,只有在非常接近黑洞的中心时才会感受到强大的引力。但是如果把这一条简单的等效原理与早就被实验确认的量子纠缠现象结合起来,便形成了一个悖论:进入黑洞视界的粒子是否还能保持与黑洞之外的粒子的纠缠状态?

如果进入黑洞的粒子继续保持和黑洞外部粒子的纠缠状态,那么这将违反量子力学对于黑洞性质的判断——被黑洞吸收的信息将永远消失。根据量子力学的预测,在黑洞外部的粒子,需要与黑洞外部的另外一个粒子形成纠缠态,但是这很明显违背量子纠缠最基本的准则:一个粒子只能与另外一个粒子形成纠缠态,无法同时和其他两个粒子同时保持纠缠状态——那么,究竟应该与谁形成纠缠态?如果这两个原本纠缠的粒子在其中之一进入黑洞的视界时纠缠状态忽然发生改变,这又是如何发生的?这就是“黑洞火墙”悖论。有越来越多的理论物理学家认为,在黑洞的视界周围,存在着一个由“霍金蒸发”形成的火墙,这个能量巨大的火墙可以保证任何进入其中的粒子与外界的纠缠状态在瞬间被破坏掉,这个火墙也足以保证任何进入黑洞视界内部的人还没等到被黑洞的引力变成一根面条,在它的边界处就化为灰烬。

与量子力学一样,广义相对论也经历了将近100年的实践检验,没有广义相对论,就没有宇宙学的诞生,也不会有GPS定位系统。那么,在黑洞这个广义相对论最为极限的预测中,在这个广义相对论与量子力学短兵相接的战场,现在理论物理学家究竟该放弃什么?加州大学伯克利分校的理论物理学家拉菲尔·布索(Raphael Bousso)认为,这简直就是“来自地狱的菜单”。加州大学圣芭芭拉分校的理论物理学家约瑟夫·玻尔钦斯基(Joseph Polchinski)则认为,这是因为人类还远没有认识到时空和引力的本质。那么,什么才是宇宙中最本质的东西?有物理学家认为,宇宙中最为本质的正是量子纠缠、时空以及引力效应,实际上都是量子纠缠状态的体现,因此才会产生出这样的悖论,这使得这个悖论在短时间内还无法解决。

量子纠缠状态是否是宇宙中最根本的状态?显然还有更多的理论物理学家认为是这样,不仅是引力,有人认为就连物理学中最基本的“时间”概念实际上也是由量子纠缠状态衍生出来的。2013年10月17日,几位来自意大利和俄罗斯的物理学家在网上发表了他们的论文——《量子纠缠产生的时间:一个实验性的幻觉》(Time From Quantum Entanglement:An Experimental Illustration)。在论文中,作者认为,在一个“宇宙”中,正是由于时钟与宇宙的其他部分发生了量子纠缠,才使得这个宇宙中的观测者产生了时间正在流逝的幻觉,而对于宇宙之外的“超观测者”来说,整个宇宙的状态实际上则是停滞的,并不存在时间的概念。为了解释这一点,作者们创造了一个只有两个光子组成的“宇宙”,这两个处于纠缠态的光子其中之一为时钟,对于另外一个光子来说,时间正在运行,可是对于这个宇宙之外的“超观测者”来说,这两个光子的状态并不曾改变,时间并不存在。

这次物理学界的大争论,与物理学史上的其他争论最大的区别就在于它是完全基于理论产生的悖论,而没有(也不可能有)任何实验证据支持其中的任何一方,这在人类科学发展史上恐怕是空前的,这也说明了人类对于自然界规则的认识已经到达了一定的高度。不能忽视的是,这个悖论产生的源头就在于爱因斯坦始终深深怀疑的量子纠缠现象,而争论的战场则是在爱因斯坦始终不相信的黑洞。此刻再想起爱因斯坦的评价,“鬼魅般的超距作用”,恐怕理论物理学家们会有更深的体会了。

在19世纪与20世纪之交,英国开尔文勋爵在回顾物理学的主要成就时,认为当时的物理学大厦已经完成,只是在上空飘浮着“两朵乌云”。一语成谶,随后这两朵乌云引来的暴风骤雨摧毁了经典物理学,也催生了量子力学和广义相对论。如今当这两朵乌云再次发生碰撞,产生的闪电让人们见到了那个始终挥之不去的“鬼魅般的超距作用”——量子纠缠。人们不知道这次关于这个悖论的争论将会持续多久,又将对物理学,对人们对宇宙的认识,产生怎样的影响。

 

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