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物理学家找到了一个办法,能把落入黑洞的信息取出来

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:5

    物理学家找到了一个办法,能把落入黑洞的信息取出来

    黑洞得名于超强的引力——在其作用下,连光都无法逃出黑洞的魔爪。但奇怪的是,物理学家找到了一种理论上的巧妙方法,可以找回一些落入黑洞中的信息。这样的计算触及了物理学中最重大的谜题之一:在黑洞“蒸发”的过程中,那些困在它里面的信息是怎样泄漏出来的。许多理论物理学家认为信息的确会从黑洞逃出来,但却不知道是通过什么样的机制。

    不幸的是,找回信息的新办法不但没有解决这个问题,反而提升了它的难度。“或许其他物理学家能在这个方法的基础上更进一步,但就我自己而言,还看不出它有什么作用。”加拿大阿尔伯塔大学的理论物理学家Don Page说,他没有参与这个研究。

    你可以撕掉你的退税表,但你不能把它扔进黑洞摧毁其中的信息。这是因为,尽管量子力学处理的是概率问题——例如电子在这个或那个位置的可能性有多大——给出了那些概率的波函数,其演化仍是确定性的,所以如果你知道某个时刻的波形,那你就能精确地预言未来任意时刻的波形。如果没有这种“幺正性”,量子理论就会得出荒谬的结果,例如所有可能情况的概率加起来不是100%。

    但是,假设你把一些粒子扔进黑洞中。在最初的一瞬间,这些粒子和它们编码的信息就丢失了。这就产生了一个问题,现在,描述由黑洞和这些粒子共同构成的系统的量子态有一部分被擦除掉了,因此没办法再预测系统将如何演化,从而违背了幺正性。

    物理学家曾以为他们找到了解决方法。1974年,英国物理学家Stephen Hawking提出,黑洞可以向外辐射粒子和能量。由于量子不确定性,真空中充满不断产生和湮灭的粒子对。霍金意识道,如果在黑洞边界上有一对粒子从真空中出现,那么一个粒子可能飞入太空,而另一个粒子则坠入黑洞。向外发出的霍金辐射会带走黑洞的能量,导致黑洞缓慢地蒸发。一些理论物理学家怀疑,信息可以编码在霍金辐射中,从黑洞中逃出来——但具体机制仍不清楚,因为一般认为霍金辐射是随机的。

    现在,加州理工学院的idan Chatwin-Davies、 Adam Jermyn和Sean Carroll发现了一种通过霍金辐射和量子传输,从落入黑洞的粒子上取回信息的明确方法。

    量子传输允许两个伙伴,比方说爱丽丝和鲍勃,把一个粒子(例如电子)的量子态传递给另一个粒子。按照量子理论,一个电子的自旋方向可以向上,也可以向下,或者同时向上和向下。事实上,它的状态可以用球上的一个点来描述,北极点代表向上,南极点代表向下。纬线表示上下两种状态的不同叠加比例,经线代表“相位”,或者说上下两部分的匹配方式。不过,如果爱丽丝试图测量这个量子态,它就会“坍缩”,结果不是向上就是向下,必居其一,这样一来,相位等信息就被破坏了。所以她不能既测量这个量子态又把信息传递给鲍勃,她必须把量子态完好无损地传输给鲍勃。

    为了完成传输,爱丽丝和鲍勃需要分享另外一对电子,这对电子通过量子纠缠联系在一起。纠缠粒子对中两个粒子的状态都是不确定的——同时指向球上的每一个点——但两个粒子的状态是相互关联的,如果爱丽丝测量她手里的那一个粒子,并发现其自旋向上,她就可以立刻知道鲍勃的电子自旋是向下的。所以爱丽丝手里有两个电子,一个是量子态需要传输的,还有一个是纠缠粒子对中她这边的那个。鲍勃则只有纠缠粒子对中的另一个电子。

    要进行量子传输,爱丽丝还要利用量子力学另外一个奇异的特性:测量不仅能认识一个系统,还能改变它的状态。所以,爱丽丝对她手中两个没有互相纠缠的粒子进行一次测量,把它们“投影”成纠缠态。这次测量破坏了她和鲍勃分享的那对电子的纠缠。但同时,测量导致鲍勃的电子获得了爱丽丝打算传输的那个电子的量子态。这个过程就好像是,爱丽丝通过正确的测量,把量子信息从系统的一端推送到了另一端。

    Chatwin-Davies和同事意识到,他们也可以把有关电子状态的信息从黑洞中传输出来。假设爱丽丝带着她的电子飘荡在黑洞外面。她捕获了霍金辐射粒子对中的一个光子。与电子类似,光子的自旋也有两种方向,而且它与落入黑洞的那个光子伙伴是纠缠的。接下来,爱丽丝测量黑洞整体的角动量,或者说黑洞的自转情况——既包含转速,也包括自转轴的指向。掌握了这两点信息后,爱丽丝把她的电子丢入黑洞,永远失去了它。

    但是,根据这个团队在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表的论文,爱丽丝仍然能取回有关电子状态的信息。她需要做的就是再次测量黑洞旋转的速度和方向。这样的测量把黑洞和落入黑洞的光子纠缠起来。测量同样也会把电子的状态传输给爱丽丝捕获的光子。于是,丢失电子的信息就这样被从黑洞中取出,回到了可观测宇宙中。

    Chatwin-Davies强调说,这种方法不是一个实际可行的实验方案。毕竟,这需要爱丽丝在测量一个太阳质量黑洞的角动量时,精确到一个原子的自旋角动量。“我们开玩笑地说,爱丽丝是宇宙中最先进的科学家。”他说。

    这种方法也有很大的局限性。作者指出,特别是,它仅适用于一个粒子,两个或更多都是不行的。这是因为,该方法利用了黑洞的角动量守恒,黑洞最终的角动量等于原来的角动量加上电子的角动量。这个技巧让爱丽丝可以精确地得出两个信息——总角动量和它在某个轴上的投影——而这些信息足以确定一个粒子量子态的经度和纬度。但要把困在黑洞中的所有信息都取出来却是远远不够的。黑洞通常是一颗恒星自身坍缩而形成的。

    要真正解决黑洞信息问题,理论物理学家还需要考虑黑洞内部的复杂状态,加州大学伯克利分校的理论物理学家Stefan Leichenauer说。“不幸的是,我们面对的所有关于黑洞的大问题,都精确地牵涉到这些内部状态,”他说,“所以,这种方法虽然本身很有趣,但对解决一般意义上的黑洞信息问题,可能对我们没有太大的帮助。”

    然而,探查黑洞内部需要一个量子引力理论。当然,建立这样的一种理论,可能才是整个理论物理学界最宏伟的目标,物理学家经过了数十年努力依然未获成功。(撰文:Adrian Cho 翻译:韩晶晶)

    原文链接:https://www.sciencemag.org/news/2015/12/physicists-figure-out-how-retrieve-information-black-hole?rss=1

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