理学家提出量子物理新规则：为什么黑洞内部会永远增长

发布时间：2024-01-06 15:14:54 所属栏目：外闻来源：DaWei

导读： 热寂是科学家们描述宇宙中的一种状态，指所有能量耗尽、温度趋近于绝对零度的情况。在热寂中，没有可利用的能量，没有活动或变化发生。

打个比方说，将冰块放入一杯水中，造成一种失衡的

热寂是科学家们描述宇宙中的一种状态，指所有能量耗尽、温度趋近于绝对零度的情况。在热寂中，没有可利用的能量，没有活动或变化发生。

打个比方说，将冰块放入一杯水中，造成一种失衡的情况。冰融化，液体变冷，系统达到常温，好像失去了任何变化，分子速度的总体分布也没有改变。

近代物理学一直为一个黑洞谜团所困扰，根据对黑洞的标准认知，在本应达到平衡后的很长一段时间内仍在继续变化。对这个谜团根源的探索促使科学家们重新考虑一般事物是如何演化的——包括宇宙本身。

当冰块融化并与液体达到平衡时，通常会说系统的变化已经结束。但事实并非如此。在量子层面上，奇妙的事情不断发生。合作者之一、加州理工学院理论物理教授陈谐（Xie Chen）表示说，“如果研究一个量子系统，粒子分布可能已经平衡，能量分布可能已经平衡，但除此之外还有很多事情在发生”。

该研究认为，如果平衡系统看起来平淡无奇，那说明我们没有以正确的方式看待它。作用已经从可以直接看到的数量，转移到需要新举措来跟踪的高度离域的数量。目前，最受欢迎的衡量标准是电路复杂性。这个概念起源于计算机科学，并已被移植到量化量子系统中的模式。该研究成果之所以吸引人，是因为它汇集了多个科学领域，不仅包括黑洞，还包括量子混沌、物质的拓扑相、密码学、量子计算机，及其它领域。

黑洞的新悖论

在20世纪中叶，黑洞因其“奇点”而显得神秘，落入的物质变得无限紧凑，引力无限增强，已知的物理规则被打破。在1970年代，霍金意识到黑洞视”同样很奇怪，从而产生了备受讨论的信息悖论。这两个难题一直困扰着物理学家，推动着对物理学统一理论的探索。

黑洞应该像一杯水一样受同样的热力学定律支配。如果冰和液体最终达到平衡，那么黑洞也应该如此。它应该稳定，而不是永远增长。

为阐述这个悖论，苏士侃应用了一种横向思维形式。这种被称为AdS/CFT对偶性的策略推测，基础物理学中的任何情况都可以用两种数学上等价的方式来看待。黑洞是一个强大的引力系统。它在数学上等同于一个非引力但强量子系统，即黑洞相当于量子场的热态，本质上是由核粒子组成的热等离子体。

看起来，黑洞一点也不像热等离子体，等离子体似乎与黑洞没有任何关系。这就是使这两者结合如此强大的原因。他关联了两件看起来不关联的事情。如果测量等离子体的温度，这就是黑洞的温度。如果把物质丢进等离子体，涟漪会通过它回荡，就像黑洞吞噬了一个物体。这种涟漪逐渐消散，一切恢复平衡。

这种对偶性将引力的特异性转换成了量子理论的复杂性。这使苏士侃提出黑洞应该或不应该如何演化的问题。等离子体很快达到平衡；它的整体属性停止变化。但如果它在数学上等同于一个内部体积不断扩大的黑洞，那么等离子体一定会继续演化。

复杂性意味着什么

量子计算机采用了相同的框架。量子电路使用标准化的门指令库作用于它的基本信息单位——量子比特。一些门执行熟悉的操作，例如加法，而其他门则是典型的量子操作。例如，一个“受控非”门可以将两个或多个量子位结合成一个不可分割的整体，称为纠缠态。

在量子计算机内部，量子比特可能是粒子、离子或超导电流回路。总的来说，它们的精确物理形态并不重要。任何由分立单元组成的系统都可以改造成电路，即使是看起来一点也不像计算机的系统。

电路复杂度是一个技术概念，与我们日常生活中所说的“复杂度”雷同。我们说一项工作很复杂，通常是指它涉及很多步骤。在量子系统中，复杂性是复制特定状态所需的基本门（或操作）的数量。根据这个定义，复杂性是一个整数——门的数量，但研究人员还探索使用几何概念将复杂性定义为连续数或实数。

苏士侃将这一概念应用于热等离子体，通过AdS/CFT对偶性，热等离子体相当于黑洞。他建议，即使在等离子体达到热平衡条件后，其量子态也不会停止演化，它变得越来越复杂。通过等离子体回荡的涟漪消散但没有完全消失，如果在量子水平上观察等离子体，它们仍然存在。

苏士侃因此提出了他对不断增长的黑洞问题的解决方案：黑洞相当于等离子体；黑洞的体积在数学上等同于等离子体的电路复杂性；并且由于电路的复杂性不断增加，因此体积也必须增加。

跨界借用

计算机科学家们在第一次听到这个提议时都惊呆了。它们从未打算用电路复杂性来描述物理系统的演化。这个概念只是衡量计算任务的内在难度。物理学家表示说：电路复杂性的关键在于试图捕捉那些可以更快地计算某些东西的罕见例子。

计算机科学家看不出这与物理学有什么关系。电路复杂度对他们来说是评估算法的理论工具，而不是物理量。假设有人给了你一个算法，它产生了数字 3、1、4、1、5、9。从表面上看，这些数字看起来像是一个长而复杂的算法的产物。它们没有明显的模式；它们看起来是随机的，这是一种最复杂的状态。唯一可以产生一系列随机数字的算法是将这些数字预先编程到其中的算法。但有人告诉你，你会意识到这些数字毕竟不是随机的，而是π的初始数字，是简单算法的输出。

如果没有这个有用的提示，确定电路复杂性的唯一方法就是反复试验：尝试每一种可能的电路，寻找能够再现数字的电路。事实上，仅仅找到一个是不够的，需要找到每条电路，然后选择最短的电路。

被破解的密码

尽管计算机科学家可以理解苏士侃的观点，即复杂性会增加，黑洞的内部体积也会增加，但他们怀疑这之间是否存在真正的联系。要么其他一些量等于内部体积，要么AdS/CFT对偶性是错误的。

黑洞受引力定律支配，所以如果能在计算机上足够精确地模拟，就能获得与真实尝试一样多的信息。所以设想了一个模拟，其中包括一组从不同方向进入洞的观测者，互相发射激光信号，每个人都会看到其他人的一些信号，但不是全部，这取决于内部空间的大小。尽管没有一个有时间收集数据，但作为运行模拟的物理学家，可以为他们完成这项工作。

然后他们将注意力转向等离子体。以密码学的方式将其设想为所谓的块密码。块密码是大多数现代加密方案的核心。使用这样的密码，可以使用代码密钥多次重新排列信息字符，从而将文本隐藏在多层。密码破解猜测密钥以查看是否可以恢复有意义的文本。但只有在准确踩出钥匙的情况下才能成功。

分组密码看起来一点也不像等离子体，更不用说黑洞了，但代码字符的重组类似于等离子体中粒子的扰动。研究人员证明了在数学上的等价性。解密由块密码编码的信息等同于推断电路的复杂程度。

计算机科学家无法将苏士侃的猜想视为对他们电路复杂性概念的广泛运用。事实上，黑洞体积悖论现在对他们和物理学家来说都是一个问题，因为它可能会破坏计算难度的等级。

为解决这个悖论，研究人员需要确保不变性考虑了两种选择。

首先，也许黑洞毕竟不是那么容易模拟。如果不是，那么就不能那么容易地计算出它们的内部体积。但这将违反计算机的概念。计算机被定义为能够有效模拟自然界中任何事物的通用设备。计算机科学家将这种普遍性视为与任何物理定律同等重要的深刻原则。它最终反映了自然界的还原论结构。通过概括这种结构，计算机可以做任何自然能做的事情。

也许控制黑洞的物理学——量子引力理论——超出了量子计算机的能力。实际上，黑洞是一台与量子计算机相比更强大的计算机，就像量子计算机与经典计算机相比一样。虽然这样的可能性很小,但是理论家们大部分认为,量子引力应该是量子化的,并且属于量子计算机的范畴。

因此，研究人员倾向于接受另一个选择：从黑洞到等离子体的转换行为，反之，计算量很大。黑洞本身可能相对容易被计算机分析，等离子体可能也是如此，但计算机可能会花费近乎永恒的时间将一侧的属性映射到另一侧的等效属性。

为此，计算机科学家开始接受苏士侃的观点，即电路复杂性是一个完全合法的物理量。虽然它很难测量或计算，但如果黑洞到等离子体的转换很困难，那么任何相当于黑洞体积的量都将很难计算。苏士侃说：“感觉不佳只是反映了从一个到另一个制作解释的极端困难。” “我认为物理学家还没有真正意识到这意味着什么。”

量子系统的五个阶段

从所有这些工作中逐渐浮现出一幅量子系统完整生命周期的图景——混沌系统，这意味着其中的大部分，包括整个宇宙。根据这种景象，可划分为下面五个不同的阶段：

1. 首先是初始化。系统开始时很简单：只是一堆粒子或其他构建块，独立运行。

2. 然后是热化。粒子弹跳并相互碰撞，最终达到热平衡。巧妙地开始通过量子纠缠将粒子联系起来。在苏士侃称之为“扰乱”的过程中，信息通过系统传播，直到不再停留在局部位置，就像蝴蝶效应影响全球天气一样。“最初是本地的算子已经以类似蝴蝶效应的方式遍布整个系统。”

3. 接下来是复杂化。系统处于热平衡状态，但并未停止变化。变得越来越复杂，但在某种程度上，熵等标准度量几乎是看不见的。研究转而依赖电路复杂性，它表达了纠缠粒子之间日益复杂的联系。“复杂性真的就像是观察系统纠缠结构的显微镜，”。这个阶段的持续时间比热化时间长得多。

4. 然后系统达到复杂性平衡，复杂性达到上限。系统虽然在不断变化，但已经不能说是进化了——它没有方向感，而是在最复杂的平等状态之间徘徊。

5. 最后一个阶段称为循环，在此阶段系统从混沌状态回到其原始的简单状态。经过一段不仅是指数级、而且是指数级的指数级的时间，然后重复整个过程。

（编辑：济南站长网）

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