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时空是量子纠缠(组图

时间:2017-02-24 06:51
  

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(本文作者是《科学美国人》担任太空和物理学范畴的资深编纂。她在美国卫斯理大学获得了天文学和物理学的学士学位,并在加利福尼亚大学圣克鲁兹分校获得了科学记者硕士学位。本文翻译勇是北京师范大学物理系引力与专业博士研究生)(由《全球科学》社供稿)

1.破解代码的憧憬

3.二维理论

要理解纠缠若何发生时空,物理学家起首必需更清晰地舆解纠缠到底是如何阐扬感化的。自从1935年爱因斯坦和合作者预言了量子纠缠以来,就像爱因斯坦本人描述的那样,这种现象看上去不断“如鬼魂般”奥秘,由于两个相距甚远的粒子竟然能够发生瞬时联系,这看起来似乎了一个铁律——任何工具都不克不及跨越光速。比来,科学家不断在研究几种分歧类型的纠缠。常规的纠缠涉及的是在空间中的多个同类粒子间单个属性(好比粒子的自旋)的联系关系。可是,“常规的纠缠是不敷的”,巴拉苏布拉马尼亚恩说,“我曾经认识到具有其他形式的纠缠,那些纠缠与这个重构时空的项目互相关注。”好比,能够让分歧品种的粒子在统一个发生纠缠,即一种不涉及空间的纠缠。科学家也在动手霸占由更大都目标粒子彼此纠缠而带来的令人眩晕的复杂性。

4.又一次

时空由比特或者什么此外工具“构成”的设想是与广义的预言各走各路的。新的概念认为,时空并不是根基的,而是通过量子比特的彼此感化“出现”出来的。这些比特到底是由什么形成的,它们又包含着哪些消息,科学家也不晓得。然而,风趣的是,这些问题并未给科学家带来搅扰。“主要的是比特之间的关系”而不是比特本身,IfQ项目组、斯坦福大学的博士后布莱恩斯温格尔说:“这些集体关系是丰硕物理特征的源泉。这里的环节不是它们的构成单位,而是这些单位组合在一路的体例。”

在过去的20年里,科学家发觉AdS/CFT对偶是见效的——二维的理论简直能够描述三维的景象,这种机制被称为对偶——可是他们还没有完全理解为什么会如许。斯温格尔说:“(IfQ)有个值得的,就是一个可以或许注释对偶机制的理论。我想,通过如许的合作,我们必然能够完成这个方针,或者至多(我们能够)在这个标的目的上取得严重进展。”

更进一步说,把量子消息科学和弦理论连系起来,大概不只有助于我们成立量子引力理论,还能协助我们评判物理学家发觉的任何一种理论。任何一个物理理论都能够当作一台计较机,它的输入和输出就相当于理论中可测的初态和末态。而有些计较机要比其他计较机更强大。一旦研究者得出一个量子引力理论,他们能够问,这个理论的计较能力是如何的?“若是这个理论的计较能力太强,以致于能够计较在我们的世界中不成能计较的工具,那么我们至多会给这个理论打一个问号,”阿哈罗诺夫说,“这现实上是一种从分歧的角度来判断该理论能否合理的方式。”

AdS/CFT大概能让物理学家找到一个与量子引力等价的理论,在完全不考虑引力的环境下,以更简单的体例完成不异的方针,描述不异的物理纪律。巴拉苏布拉马尼亚恩说:“引力理论很难用量子化的方式描述,然而不包含引力的理论却能够很容易做到。”可是,可能有人会问,不包含引力的理论怎样能成为所谓的量子引力理论呢?也许,我们眼中的引力和时空,只是别的一种对待纠缠的最终产品的体例。换句话说,在某种程度上,是纠缠把三维体内的消息编码成了比特,并储具有二维鸿沟上。

全息道理一个最为成功的实例是名为AdS/CFT对偶(反德西特时空/共形场论对偶,anti-deSitter/conformalfieldtheorycorrespondence的首字母缩写)的理论。这个理论表白,我们完全能够通过描述黑洞的概况行为来描述黑洞本身。换言之,内部(三维的“体”)的物理纪律完满地对应于外部(二维的“鸿沟”)的物理纪律。

该项目让一些物理学家想起了过去一些严重理论方才起步时那些冲动的年代。“我在1984年起头读研究生,那一年恰逢所谓的第一次弦论,”理工学院的物理学家大栗博司说,“那是一个冲动的时代,弦论逐步成为大同一理论最无力的候选者。我看到,此刻环绕这个项目标爆炸式热情就好像昔时一样。对这个范畴的年轻人来说,这无疑是一个令人兴奋的年代,对我们这些在几十年前拿到博士学位的人也是一样。”

【全球科技】

然而,一些科学家起头质疑这一保守概念。空间——或者说广义里的时空——现实上可能是由小块的消息构成的。按照这个设法,这些小块的消息通过相互间的彼此感化,缔造出了时空并付与其各类特征,好比惹起引力效应。这个概念若是准确,就不只能注释时空的发源,还可能协助物理学家成立起他们追随多年的量子引力理论。

量子计较机

一些质疑者说,若是IfQ成立在不实在的根本上,它能获得什么成心义的成果呢?“这无疑是一个很是无力的,”恩格尔哈特说,“为什么我们把留意力放在这个玩具模子上?这一方面是由于玩具模子本身是准确的,另一方面我们认为,玩具模子现实上能够代表我们的。我很确定的是,若是我们能完全理解玩具模子,我们就能理解实在的。”IfQ的研究者相信,从一个比力容易动手的简单图像起头,通过添加必需的复杂要素,最终能把上述理论使用到实在的世界中。

这项工作的次要方针是获得一个理论,能从量子角度来描述引力。可是追求量子引力的物理学家在过去一个世纪里不断不竭受阻。爱因斯坦本人生前就不断在顽强地寻求如许的理论,但直到他归天都没有成功。IfQ的科学家寄但愿于一种名为全息道理的理论来协助他们。

这种组合的环节可能是一种被称为量子纠缠的奇异现象,这是粒子之间可能具有的一种不成思议的联系关系,两个纠缠的粒子即便相隔很远,对此中一个粒子进行操作也会对第二个粒子形成影响。IfQ的首席研究员、大学物理学家维贾伊巴拉苏布拉马尼亚恩说:“比来有人提出了一个极为诱人的方案:时空的布局是由更根基的某种时空原子通过量子纠缠编织而成的。若是这是真的,那其实是奇异。”

虽然有质疑声,但不管是这个项目组内,仍是与项目无关的科学家都认为IfQ值得测验考试。它曾经斥地了新的研究范畴。加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家拉斐尔布索说:“我长久以来就感觉量子消息和量子引力之间的联系极为主要。”布索虽然不是IfQ项目组,但和项目组的一些有合作。“这种联系在近些年不竭加深,我很欢快看到如斯多的精采物理学家在一路工作,配合面临此中的问题。这最终会带我们走到哪里,让我们拭目以待吧。”同样不是IfQ项目组的斯坦福大学理论物理学家伊娃西尔弗斯坦认同这一见地:“很较着,成长和使用量子消息来研究这些问题是值得去做的,但为了理解(量子引力的)动力学,我们需要做的还有良多,很主要的一点是,我们不克不及过于狭隘地把留意力只放在某一个方式上。”

即便物理学家成功理解了AdS/CFT的工作道理,从而设想出一个能够替代量子引力理论的低维理论,他们仍然没有获得成功。这个对应本身只对的“玩具模子”无效,而这一模子是对我们所处实在的简化。出格是,合用于我们实在的各类引力,并不合用于上述对应道理中的简化世界。“我们的不断在膨胀,AdS/CFT中虽然有某种形式的引力,但它不是能准确描述膨胀的引力理论,”斯温格尔说,“它描述的是一种像瓶子一样的——若是你发射一道光线,它会打到空间的墙面上再反射回来,这在我们所糊口的膨胀里是不成能发生的。”这个模子给物理学家供给了一个有用的理论场地,去测试他们的设法,在简单的图像里,霸占量子引力会变得相对简单一些。

量子消息理论大概可以或许有所协助,由于该范畴中一个叫作量子纠错码的概念也可以或许在AdS/CFT对偶中阐扬感化。由于比特之间的纠缠会遭到干扰,所以研究量子计较的科学家设想了这些纠错码以防止消息丢失。量子计较机并不是用单个比特编码消息的,它操纵的是多个比特的高度纠缠态。如许一来,单个比特的错误将不会影响一条消息的精确度。但奇异的是,量子纠错的数学纪律同样出此刻了AdS/CFT对偶里。科学家将多个比特纠缠在一路设想成纠错收集的方式,看起来也能用来把黑洞内部的消息通过纠缠编码到黑洞的鸿沟上。希伯来大学的量子计较科学家,IfQ首席研究员多里特阿哈罗诺夫说:“你在黑洞内部能够找到量子纠错码,这是一件很是风趣的工作。”

这个设法背后的推理过程来自物理学家先前的一些发觉,比伊利诺伊大学香槟分校的笠真生和京都大学的高柳匡在2006年合作颁发的论文表白,时空的几何布局和纠缠具有着联系关系。在这项工作的根本上,2013年,普林斯顿高档研究院的物理学家胡安马尔达西纳和斯坦福大学的物理学家伦纳德萨斯坎德发觉,若是两个黑洞纠缠在一路,它们就会发生虫洞,即广义所预言的一种时空中的捷径。这项发觉(按照提出虫洞和纠缠的科学家的名字,物理学家给两者的关系起了个绰号“ER=EPR”)和其他相关工作令人惊讶地表白,过去被认为不涉及实体联系的纠缠竟然能发生时空布局。

科学家期望,一旦认清了纠缠的机制,他们就可以或许理解时空是怎样出现出来的,就像空气华夏子的微观活动发生热力学和气候的复杂模式一样。这些都是“出现”现象,恩格尔哈特说,“当你把镜头拉远,从更宏观的角度看一个工具时,你会看到与之前不大一样的图像,你以至不知这个图像来自于更小标准的物理机制。这是IfQ最诱人的处所之一,由于我们此刻还不清晰时空出现背后的根基量子动力学。”

这个打算以至惹起了项目外的科学家的留意。没有参与IfQ项目标哥伦比亚大学弦理论专家布莱恩格林说:“若是理论物理与量子消息理论的连系真如人们预期的那样成功,那么这种连系将极有可能在空间和时间的理解上带来下一次。”

由于这个项目既涉及量子计较,又涉及时空与广义的研究内容,所以它把两组以前没有什么交集的研究人员整合在了一路,此中一组是量子消息科学家,另一组是高能物理与弦理论范畴的科学家。大约一年前,支撑科学和数学研究的私家机构“西蒙斯基金会”拨款成立了“itfromQubit”合作项目,并赞助物理学家在这个范畴做研究以及开会会商。自那当前,物理学家对这一课题的热情日益高涨,接连的会议吸引了越来越多的研究者,此中一些是西蒙斯基金会赞助的这个合作项目标正式,还有很多人则纯真是对这个课题感乐趣。IfQ项目组的、圆周理论物理研究所的博士后研究员吉田红说:“这个项目正在处理一个很是主要但同时又很是坚苦的问题。合作是需要的,由于这看起来不像是一小我就能处理的问题。”

2.纠缠与时空

这个道理是指,一些物理理论能够等价于低维中更简单的理论。就像一张二维明信片的独角兽全息图,它能够储存全数的需要消息,来描画出独角兽的三维立体外形。由于找到一个可行的量子引力理论很难,可是按照全息道理,科学家能够测验考试在比我们的维度更低的中找到一个易于操作的等价理论。

莎士比亚曾写下如许一句话:“整个世界是一个舞台。”物理学家也倾向于以这种体例思虑,他们的舞台就是空间本身。在他们看来,对于空间中容纳的各类力和场的彼此感化,空间有时仅仅只是一块布景。空间本身,按照保守的概念来看,并不是由其他什么工具形成的。

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此外,即便这个项目没能给我们一个量子引力理论,它仍可能发生有价值的研究分支。好比,将弦理论和广义的手艺和设法使用到用量子消息问题中,将有助于我们以更好的体例定义分歧类型的纠缠,从而协助我们理解时空以及机关量子计较机。“当你把这些东西使用到新的中,很可能会获得在其他范畴很有用的风趣设法,”阿哈罗诺夫说,“目前看来,研究者正在一些曾经滞留多年的问题上取得进展,这常令人兴奋的。”好比,科学家曾经发觉,若是把虫洞看作量子电,就有可能在虫洞里丈量时间。

科学家但愿通过量子计较和理论物理的连系,来研究时空能否是由细小的消息比特通过量子纠缠建立起来的。两大物理学理论能否能同一在一路至关主要,由于目前他们是不相容的。

空间是由小块消息构成的这种可能性吸引了数百位物理学家,他们在“itfromQubit”项目标赞助下每三个月摆布会面一次,进行会商。项目名中的“it”指的是时空,“qubit”(量子比特,来自quantumbit)代表量子标准下的最小可能消息量,雷同于计较机中的bit(比特)。“itfromQubit”背后的设想是,由某种底层代码修建而成,通过破解这些代码,物理学家最终能够找到一个方式,去理解中那些大标准事务的量子素质。

比来的一次“itfromQubit”(IfQ)会议于2016年7月在安粗略省的圆周理论物理研究所举行。主办方本来估计约有90人注册,可是由于收到了太多的申请,成果最终不得不领受了200人,并在此外大学同时举办6个近程卫星会议。“我认为,就算由消息形成时空不是最有但愿处理量子引力问题的路子,至多也是此中之一。”普林斯顿大学的博士后研究员内特恩格尔哈特说。恩格尔哈特虽然不是“itfromQubit”项目标正式,但仍是加入了此中不少会议,他说:“这方面的研究方才起步。”

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