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物理学家试破解诡异量子学与时空几何本质:t18=t0,t0^2+t^2=s0。

(2015-12-04 09:07:46)
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点击数:91 次   录入时间:2015/11/24 16:49:00   编辑:liuxinyuan2012   [宣传赚点]
物理学家试破解诡异量子学与时空几何本质:t18=t0,t0^2+t^2=s0。
过去十年来,量子理论和引力学关系研究已经出现了革命性的时刻。
图中《星际穿越》(2014年)描绘的黑洞可能通过虫洞连接,其中可能存在量子起源。
图片来源:Warner Bros. Entertainment
2009年初,Mark Van Raamsdonk决定好好利用首次教学后的假期,钻研物理学上一个最深奥的题目:量子力学和引力之间的关系。经过一年埋头分析以及与同行深入探讨之后,他向《高能物理学期刊》递交了一篇论文。
2010年4月,该期刊回复给他的是一封拒稿信,其中一位审稿人的意见暗指加拿大温哥华英属哥伦比亚大学物理学家Van Raamsdonk是个不切实际的疯子。
随后,他把文章提交给了《广义相对论和引力学》期刊,这次的回复要好一点:尽管评委的审稿意见言辞苛刻,但该期刊的编辑最终还是请他重新改写这篇文章。
然而,Van Raamsdonk当时已经用该文章缩略版本报名参加了一次颇有声望的年度论文比赛,该比赛由美国马萨诸塞州韦尔斯利市引力研究基金主办。在这次比赛中,他的文章不仅获得了第一名,而且还碰到了一件极具讽刺意味的事情:其中的荣誉包括在《广义相对论和引力学》期刊上发表该文章的保证。最终该期刊在2010年6月发表了他的文章的缩减版本。
无比纠结的“纠缠态”
尽管如此,期刊编辑仍然有保持谨慎的理由。过去近100年来,科学家一直未能让量子力学和引力学相统一。量子力学统治着微观世界——即原子或粒子可以在同一时间出现在不同地点、可以同时顺时针旋转及逆时针旋转的神秘领域。而引力学则主宰着宏观世界——从苹果落地到行星、恒星以及星系运转等现象,阿尔伯特·爱因斯坦曾于100年前同样的11月份在广义相对论中对其进行了描述。该理论认为,引力属于几何学:当粒子通过一个大质量物体附近时会发生偏离,爱因斯坦表示,这不是因为它们感觉到了引力,而是因为围绕该物体的时间和空间发生了扭曲。
上述两种理论都已经过大量实验的验证,然而它们描述的世界却完全不能兼容。从审稿人的立场来看,Van Raamsdonk提出的解决这种不兼容性的方法过于古怪。他主张,解决这一问题所需要的仅仅是“纠缠态”:很多物理学家认为这种现象是诡异的量子世界的极端。
纠缠态可以使测量一个粒子的同时瞬间获悉另一颗配对子的状态——无论这颗配对子的距离有多远,哪怕它是在银河系的另一边。爱因斯坦由衷地对纠缠态感到痛恨,因此就有了他所说的著名的“幽灵般的超距离作用”。
但是纠缠态却是量子理论的核心。Van Raamsdonk利用十多年来观点趋同的物理学家的研究成果,赞同这种极具讽刺意味的观点,即尽管爱因斯坦反对,纠缠态可能是几何学的基础,而且也是爱因斯坦的几何引力论的基础。“空间—时间,只是量子系统中物质如何纠缠的几何图像。”Van Raamsdonk说。
然而,这一观点这远未得到证实,而且远非完整的量子引力理论。但是一些独立研究也得出了同样的结论,并吸引了主流理论学物理学家的强烈兴趣。现在,通过各种各样用于量子计算和量子信息理论的现代工具,一些应用物理学家正在尝试扩展这种几何——纠缠关系。
“过去十年来,量子理论和引力学关系研究已经出现了革命性的时刻。”加州斯坦福大学物理学家Bartlomiej Czech说,“我一分钟也不会犹豫去做这件事。”
没有引力的引力论
目前,这项研究的大部分工作停留在1997年物理学家Juan Maldacena所做的工作上,目前Maldacena在新泽西州普林斯顿高等研究院工作。Maldacena的研究曾让他思考两个看起来完全不同的宇宙模型之间的关系。其中一个宇宙模型和我们所在的宇宙空间类似。尽管它不会膨胀也不会收缩,但却拥有三个维度,其中充满了量子粒子并遵从爱因斯坦的引力方程。这种叫作反德西特空间(ADS)的概念,通常也被称为“点内空间”。另一个模型也充满了元素粒子,但是它仅有一个维度并且不存在引力。它通常叫作边界,是一个数学上定义的膜,它和点内空间里任何一个给定点之间都隔着无限的距离,然而却又完全包围着这个定点,就像一个二维的气球表面内包围着三维的空气那样。边界粒子遵从量子系统方程,即共形场论(CFT)。
Maldacena发现,边界和点内空间完全相等。就像二维的计算机芯片电路编码的电脑游戏三维图像那样,边界上相对简单、无重力的方程式包含着同样的信息,描述了主宰点内空间的更加复杂的类似方程式。
“这看起来不可思议。”Van Raamsdonk说。Maldacena提出的两重性让他豁然开朗,该观点给物理学家提供了一种在点内空间不考虑引力的思考量子引力的新方法:即物理学家仅需要观察边界上的等效量子态。随后几年内,很多物理学家开始探索这种想法,因此Maldacena的论文也成为当前物理学界引用率最高的论文之一。
在这个量子场中,量子关系把各个部分系在一起,该系统中存在着唯一的纠缠态。但是现在,Van Raamsdonk 很好奇,如果把边界纠缠去掉,宇宙会发生什么呢?
利用伊利诺伊大学数学家Shinsei Ryu和京都大学理论物理学家的Tadashi Takanagi在2006年研究的数学模型,他试图回答这个问题。最终他发现,把边界的量子纠缠降低为零之后,像一块口香糖被拉扯得过远之后发生的结果那样,空间—时间就会被打乱成杂乱的碎块。
为此,Van Raamsdonk意识到,这种几何——即纠缠关系——普遍存在。纠缠关系正是把时间—空间编制在一起并形成完整整体的必要元素——不仅是在存在黑洞的星际空间,而是处处如此。
“我那个时候觉得,我理解了此前尚未有人解释过的一个基本问题的某些实质。”Van Raamsdonk回忆说,“本质上说,就是什么是空间—时间。”
隐藏的关联性
量子纠缠作为几何学上的黏合剂,这是Van Raamsdonk被拒稿和获得头奖稿件的核心,这一概念已在很多物理学家中间产生共鸣。但至今为止,还没有人发现充分的证据,因此这种观点仍是一种猜想。但是很多独立的推理已经支持这一观点。
例如,2013年,Maldacena和斯坦福大学的Leonard Susskind合作发表了一篇相关的猜想文章,他们认为ER=EPR,并以此纪念1935年发表的两篇地标性文章。ER由爱因斯坦和美籍犹太裔物理学家Nathan Rosen共同发表,介绍了现在称之为“虫洞”的概念:穿越空间—时间连接两个黑洞的隧道。(尽管在科幻电影中曾出现过,但是实际上没有哪种真实的粒子可以穿过这样的虫洞:这需要粒子移动得比光速还快,这是不可能的。)EPR由爱因斯坦、Rosen和美国物理学家Boris Podolsky共同发表,这是第一篇清晰阐述“纠缠”的文章。
Maldacena和Susskind的猜想是,这两个概念不仅仅是在发表年代上存在关联。他们表示,如果任何两种粒子存在纠缠现象,那么它们则会有效地存在于一个虫洞内。反之亦然,物理学家所说的虫洞也等于纠缠。它们只是描述同一种潜在现实的不同方式。
现在,仍然没有人清楚这一概念下潜在的现实是什么。但是物理学家越来越坚信,这种联系一定存在。Magdalena、Susskind和其他科学家已经在检验ER=EPR的假说,以此来判断纠缠和虫洞之间是否存在数学关联性——到目前为止,其答案是肯定的。
尽管验证这一猜想目前仍存在各种挑战,但是该领域的实践者已经有了共识:他们已经开始瞥见一些切实存在的重要线索。“以前,我不知道空间是由什么构成的。”斯坦福大学物理学家Brian Swingle说,“那时我甚至不知道这个问题是否有存在的意义。”但是现在他说,线索已经变得越来越显著,这个问题是合理的。“问题的答案是我们都理解的一些内容。”Swingle说,“它是由纠缠构成的。”
对于Van Raamsdonk来说,从2009年至今,他已经完成了20余篇关于量子纠缠的文章。他表示,所有这些文章现在已经被期刊接受并发表。

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