在實(shí)驗(yàn)室中尋找量子黑洞

在物理學(xué)中，我們通過猜測來發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的規(guī)律，然后將猜測的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。正如理查德·費(fèi)曼所說：“你的猜測有多美沒有用，你有多聰明也沒什么用……如果與實(shí)驗(yàn)不符，那它就錯(cuò)了。”

這就是物理和數(shù)學(xué)的本質(zhì)區(qū)別。數(shù)學(xué)家也會猜測，其真理的最終裁決者是嚴(yán)格的證據(jù)。物理學(xué)家可以使用甚至發(fā)明復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具，但他們的目標(biāo)不同：解釋宇宙的真實(shí)面貌。因此，實(shí)驗(yàn)是必不可少的。

當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論推測。科學(xué)家們花了100年的時(shí)間才在地球上探測到引力波，花了50年才發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。兩者都需要極大的創(chuàng)造力、技術(shù)發(fā)展和資金投入。這些實(shí)驗(yàn)觀察不僅證實(shí)了理論預(yù)測，還教會了我們一些新的東西，同時(shí)也為進(jìn)一步的研究打開了大門。我們知道天體物理源可以產(chǎn)生可探測的引力波，但我們不知道這些源有多普遍，我們有理由相信希格斯玻色子的存在，但不確定其質(zhì)量。

量子引力的研究是理論領(lǐng)先于實(shí)驗(yàn)的極端情況。我們對原子和亞核粒子尺度上的量子物理學(xué)有著相當(dāng)令人滿意的理解，但沒有可實(shí)證的適用于強(qiáng)引力的量子理論。如果沒有這樣的理論，我們就無法理解宇宙大爆炸后的早期宇宙發(fā)生了什么，也無法預(yù)測在黑洞中的一個(gè)不幸的宇航員被壓縮到難以想象的高密度時(shí)的確切命運(yùn)。我們需要實(shí)驗(yàn)來指導(dǎo)我們，但它們卻令人沮喪地難以捉摸。

粒子物理學(xué)的歷史提供了一個(gè)有益的對照。到20世紀(jì)50年代，我們有了一個(gè)與實(shí)驗(yàn)相符的弱核力理論。但純粹出于理論上的原因，我們知道它是有缺陷且不完整的；我們甚至可以估計(jì)，該理論的預(yù)測將在非常小的尺度范圍上——大約10-18米或更小——失效。最終，強(qiáng)大到足以在這些微小尺度上探索物質(zhì)的加速器導(dǎo)致了新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)——例如W和Z玻色子和希格斯粒子——指向了一個(gè)更完整的理論。

有了萬有引力，我們又有了充分的理由相信目前的理論是不完整的，在這里我們也可以估計(jì)出新現(xiàn)象出現(xiàn)的距離尺度：大約10-35米。不幸的是，要建造一個(gè)能利用現(xiàn)有技術(shù)探測這種尺度規(guī)模的粒子加速器，其規(guī)模將與銀河系相當(dāng)。顯然，即使在遙遠(yuǎn)的將來，這也是遙不可及的。

既然用“蠻力”來研究量子引力是行不通的，我們就必須找到一種更巧妙、更間接的方法來取得進(jìn)展。事實(shí)上，我們確實(shí)有各種各樣的在實(shí)驗(yàn)室里探測量子引力的建議，所有這些都需要實(shí)驗(yàn)家的不懈努力。我想討論一種我覺得令人興奮的方法。

為了理解它，讓我們把重點(diǎn)放在黑洞的形成和最終蒸發(fā)的量子效應(yīng)上，這是量子引力研究中的典型現(xiàn)象。起初，在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)似乎是不可能的，更不用說其危險(xiǎn)性了。但也許有辦法。

量子引力的理論研究已經(jīng)在同一物理現(xiàn)象的兩種不同表述之間建立了驚人的等價(jià)關(guān)系。由于這種等價(jià)性，黑洞的生命周期可以用一種完全不同的語言來描述，完全不涉及引力。相反，“雙”量子系統(tǒng)是由許多強(qiáng)相互作用粒子組成的。目前研究的一個(gè)目標(biāo)是充實(shí)翻譯這些語言的詞典。

這種對同一物理基礎(chǔ)的兩種不同描述的等價(jià)性，看起來“僅僅”像是一種數(shù)學(xué)觀察，但它對實(shí)驗(yàn)的影響是深遠(yuǎn)的。事實(shí)證明，研究黑洞的非引力描述所需的實(shí)驗(yàn)工具正是物理學(xué)家們?yōu)榱送耆煌脑蚨_發(fā)的工具——解決非常困難的計(jì)算問題的量子裝置。這是因?yàn)樵诹孔右Φ哪M和量子計(jì)算中，我們都需要存儲一個(gè)由許多粒子組成的復(fù)雜系統(tǒng)，并精確控制它們的相互作用。

多年來，我對量子計(jì)算和黑洞都非常感興趣，所以對我來說，兩者之間的這種聯(lián)系是迷人的和令人滿意的?？梢钥隙ǖ氖?，量子計(jì)算技術(shù)還不成熟，所以我們短期內(nèi)無法在實(shí)驗(yàn)室模擬真實(shí)的黑洞。沒關(guān)系，我們將致力于研究簡化模型，這些模型捕捉了量子引力的一些有趣特征。這些都是有益的，隨著量子技術(shù)的進(jìn)步，我們將能夠進(jìn)行越來越復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。

此外，這種二元性是雙向的。量子計(jì)算機(jī)不僅能教會我們有關(guān)量子引力的知識；通過將許多強(qiáng)相互作用粒子的行為與引力現(xiàn)象聯(lián)系起來，我們也可以更好地理解這種行為。通常，如果我們在一個(gè)強(qiáng)相互作用系統(tǒng)中的某個(gè)特定位置留下一些信息，這些信息會迅速傳播，很快就會變得非常難以解讀。但我們知道一些有趣的情況，由于一些不明顯的原因，信息最終會重新聚集，并在相距很遠(yuǎn)的另一個(gè)地方變得容易解讀。

當(dāng)這個(gè)神秘的過程被翻譯成雙重引力語言時(shí)，它會更容易理解。在這個(gè)框架中，一個(gè)蟲洞連接著兩個(gè)遙遠(yuǎn)的空間點(diǎn)。印記信息在進(jìn)入蟲洞一端時(shí)消失，然后在從另一端重新出現(xiàn)。物理學(xué)家渴望得到這種對復(fù)雜現(xiàn)象的直觀解釋，而實(shí)驗(yàn)家和理論家的共同努力，必然會產(chǎn)生更深入的類似見解。

我們有時(shí)會擔(dān)心，隨著科學(xué)的進(jìn)步，它會不斷地分裂成越來越窄的專業(yè)，彼此之間的互動越來越少。但根據(jù)我自己的經(jīng)驗(yàn)，我看到了一個(gè)更強(qiáng)大的反向趨勢：隨著知識的進(jìn)步，從事不同領(lǐng)域工作的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，他們有越來越多的東西可以相互學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)室里探測量子引力的機(jī)會是由高能理論物理學(xué)家的推測所推動的，但它也大量地借鑒了凝聚態(tài)物理學(xué)家、原子物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家的專業(yè)知識。這些令人興奮的深入聯(lián)系使我對未來感到樂觀。

資料來源quantamagazine.org