著名物理学家提出量子物理新法则：为什么黑洞内部会永远增长

发布时间：2023-06-12 09:36:35 所属栏目：外闻来源：

导读：热寂是科学家描述宇宙的一个现象,指所有能量全部消失,气温接近绝对零度。在热寂中，没有可利用的能量，没有活动或变化发生。

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

热寂是科学家描述宇宙的一个现象,指所有能量全部消失,气温接近绝对零度。在热寂中，没有可利用的能量，没有活动或变化发生。

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。

著名物理学家、李奥纳特·苏士侃（Leonard Susskind）与其合作者，为了认知为什么黑洞内部会永远增长，提出了一条新的物理规律。

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。

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。这两个难题对物理学家来说一直是问题重重的,而且推动了物理学统一理论的发展。

苏士侃认为，最自然的选择是每时每刻都最大化地对空间体积进行“切片”；根据相对论，它相当于穿过洞的最短距离。由于内部时空相当扭曲，以这种方式衡量的体积会随着时间永远增长。这个体积的切片变得越来越变形。

黑洞应该像一杯水一样受同样的热力学定律支配。如果冰和暗物质液体最终不能达到平衡，那么这些黑洞也同样应该如此。它也许应该越来越稳定，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这种聚集态物质。

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。她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。

苏士侃提出一种称为电路复杂性的特殊属性。“电路”一词起源于曾经用于路由电话呼叫的“开关电路”。这些电路携带由“门”控制的信号，“门”是执行逻辑或算术运算的电子元件。可以将几种基本类型的门串在一起，以实现更多复杂的操作。所有普通计算机都是怎样构建的。

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。

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。

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。但只有在大脑准确踩出一把钥匙的情况下自我修复才能称得上是成功。

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。解密用块密码编码的信息等同于推断量子态的电路复杂性。

（编辑：汽车网）

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