新的虫洞可让信息从黑洞中逸出

物理学家提出了一种理论,即新型的“可通过”黑洞可以解决复杂的悖论并保存进入黑洞的信息




1985年,卡尔·萨根(Carl Sagan)撰写小说《接触》时,他需要迅速将主人公埃莉·艾罗伊(Ellie Arroway)博士从地球移到维加星上。 他这样做是为了让她掉进一个黑洞,离她几光年之遥,但他不知道这样的阴谋是否有意义。 康奈尔大学的天体物理学家和著名的电视节目主持人与他的朋友Kip Thorne进行了磋商,他是加利福尼亚理工学院的黑洞专家(他最近获得了诺贝尔奖 )。 Thorne知道Arroway无法借助黑洞到达Vega,据信该黑洞会捕获并摧毁进入黑洞的所有物体 。 但他意识到,她可以使用与爱因斯坦相对论的一般理论不矛盾的另一种类型的洞:连接时空遥远地方的隧道或虫洞。

最简单的理论虫洞会在任何物体通过之前立即崩溃并消失。 但是索恩想知道“无限先进”的科幻文明是否能够稳定虫洞足够长的时间,以使某物或某人通过。 他认为,这样的文明可以用“异国情调的材料”铺砌一条隧道,以抵抗崩溃。 该材料必须具有排斥辐射和时空的负能量。 萨根(Sagan)在“联系”(Contact)中使用了这一技巧,将奇异材料的发明归因于一个早已失传的文明,以便不赘述。 同时,索恩,他的学生和许多其他物理学家花费了很多年研究可通过的黑洞及其理论应用,这些细节同样被捕获。 他们发现这些BH可以充当时间机器,并引起时间旅行的悖论-这证明自然界禁止存在外来物质。

如今,几十年后的今天,出现了新型不需要通过的BH,这些新的不需要BH的物质可以帮助物理学家解开复杂的BH悖论。 正是这种悖论阻止了Kontakt的早期草案的发展,并导致Thorne考虑了可通过的黑洞-即,落入黑洞的所有事物都消失了无影无踪。 彻底擦除信息违反了量子力学的规则,并导致专家陷入如此困难的境地,以至于在过去几年中,有些人甚至开始声称黑洞根本没有任何内脏-空间和时间终结在他们的视野中。

一连串的发现始于2016年, 工作报告了第一个可通过的虫洞,该虫洞不需要添加奇特的材料即可保持开放。 哈佛大学的Ping Gao和Daniel Jafferis以及斯坦福大学的Aaron Wall认为,虫洞子宫内的排斥性负能量可以通过形成两个虫洞入口的一对黑洞之间的特殊量子键在外部产生。 如果两个BH正确连接,则扔进其中一个的东西将迅速穿过虫洞,并且在外部宇宙中发生某些事件后,将跳出第二个。 有趣的是,Gao,Jafferis和Wall指出,他们的脚本在数学上等效于量子隐形传态-这是量子密码术的关键,并且已经在实验室中得到了证明。

加州理工学院的黑洞和量子引力专家约翰·普雷斯基尔John Preskill)说,新出现的虫洞令人惊讶,并且对信息悖论和黑洞内部产生了影响。 他说:“我最喜欢的是观察者可以进入黑洞,然后从那里逃跑并告诉他所看到的东西。” 这表明BH内部的存在,并且进入其中的一切都应追溯到过去。

神秘方程式


2013年,当Jafferis参加了在韩国举行的弦乐会议上的一次有趣的演讲时,新虫洞的工作就开始了。 演讲者,普林斯顿高级研究学院物理学教授胡安·马尔达塞纳Juan Maldacena)各种间接证据和推理得出结论,即ER = EPR 。 也就是说,时空的遥远点之间的虫洞(最简单的称为爱因斯坦-罗森桥或ER)相当于(尽管不是最明显的方式)纠缠的量子粒子,也称为爱因斯坦-罗森-波多尔斯基对EPR。 斯坦福大学的Maldasena和Leonard Sasskind提出的ER = EPR假设正试图通过将TOT控制的时空几何形状与距离分离的粒子之间的瞬时量子键相关联来解决臭名昭著的黑洞信息悖论,爱因斯坦称之为“令人恐惧的远程作用”。

自1974年以来,英国物理学家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)确定BH会蒸发-它们以粒子形式缓慢地辐射热量,称为“霍金辐射”,自此以来,这种矛盾就一直隐约可见。 霍金估计,这种热量是完全随机的。 它不包含有关黑洞内容的信息。 当黑洞不复存在时,宇宙的记录也会发生同样的事情,即黑洞内部所有物体的下落。 但这违反了量子理论的基础-统一性原理,统一性原理声称,当粒子相互作用时,关于粒子的信息永远不会丢失,只会被混淆,因此如果您将宇宙量子演化的时间箭头转回原位,您将看到事物如何重新出现,准确地再现了过去。


哈佛大学物理学副教授Daniel Jafferis

几乎每个人都相信统一性,因此信息只是必须逃离黑洞-但是如何? 在过去的五年中,一些理论家,特别是加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的约瑟夫·波钦斯基声称黑洞是没有任何填充物的空壳,而撞上黑洞事件视界的埃莉·艾罗伊会掉在“防火墙”上并散发出光回来

许多理论家相信BH内部的存在(并在他们的视线范围内更平滑地过渡),但是要了解它们,他们需要弄清楚进入内部的信息的命运。 这对于建立有效的引力量子理论,对量子物理学的长期追求以及对时空的描述是必不可少的,这在BHs内部最为明显,在BHs中,极端引力在量子尺度上起作用。

量子引力导致Maldasenu,继他之后的Jafferis,提出了ER = EPR和虫洞的想法。 假说所描述的时空隧道与量子纠缠之间的假定关系与最近的观点相吻合,即空间与量子纠缠缝合在一起。 显然,虫洞在缝合时空和逃离黑洞中的信息方面起着特殊的作用-但是这如何工作? 当Jafferis听到Maldacena关于其神秘方程式和论点的报道时,他知道标准的ER虫洞是不稳定且不可逾越的。 但是他想知道,对于虫洞通过来说,马尔代萨纳方程式的对偶性意味着什么? 这份报告在韩国发表三年后,贾菲里斯(Jafferis)及其同事高和沃尔(Gao and Wall)提出了他们的答案。 他们的工作扩展了ER = EPR的概念,即不等于标准的虫洞和一对纠缠的粒子,而是等效的虫洞和量子隐形传态: 1993年颁布的一项法律允许量子系统消失并重新出现,而在其他地方没有受到损害。

马尔达塞纳(Maldacena)阅读了高(Gao),贾菲里斯(Jafferis)和沃尔(Wall)的著作:“在我看来,这是一个非常好的主意,当您发现它时,这似乎是显而易见的。” 马尔达森(Maldasen)和他的助手道格拉斯·斯坦福Douglas Stanford)杨珍斌(Zhen-Bin Young)立即开始研究这一想法对BH信息悖论的新发现。 他们的新工作出现在四月。 斯坦福大学的Susskind和Yin Zhao在7月份通过虫洞进行隐形传态。 虫孔说:“虫洞画了一个关于传送过程的有趣的几何图形,”马尔达塞纳说。 “消息穿过虫洞。”


掉进黑洞会怎样?

深入虫洞


在发表于Physik,Muldacena,Stanford和Young的Fortschritte der Physik上的文章Diving Into Passable Wormholes中 ,研究了一种新型的虫洞,该虫洞连接了两个黑洞:一个母体BH和一个子母体BH,它是由母体在蒸发过程中产生的霍金辐射的一半形成的。 两个系统最大程度地混淆了。 这样,较早的BH信息的命运就很清楚了:它通过虫洞进入了附属BH。

在马尔达森高级研究学院安静的办公室接受采访时,一位沉默寡言的阿根廷裔美国人背后有几个有影响力的想法,描述了他的激进思想。 在粉笔沾满粉笔的黑板的右边,马尔达森画出了一个不太明显的图像,描绘了两个黑洞与一个可通过的虫洞相连。 左图,他勾勒出了一个由著名的虚构实验家爱丽丝(Alice)和鲍勃(Bob)进行的量子隐形传态实验,分别具有量子纠缠的粒子a和b。 假设爱丽丝想将量子比特q传送到鲍勃。 她准备组合状态q和a,对其进行测量(将所有结果都简化为一对经典位1和0),然后将测量结果发送给Bob。 然后,他可以将其用作对b进行重新创建q状态的键。 现在,量子信息的单位从一个地方传送到了另一个地方。

Maldacena转至板子的右侧。 “可以用一对BH来执行操作,这与我对量子隐形传态所讲的等效。 在这张照片中,信息确实穿过虫洞。”


胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)

假设爱丽丝在BH A处抛出一个量子比特q。然后她测量了Hawking辐射粒子a,并将测量结果通过宇宙的外部发送给Bob,Bob可以利用该知识对b进行研究,b是从BH B发出的Hawking辐射粒子。Bob的工作重现了q ,它似乎已经跳出了B洞,并且与掉入A洞的理想情况匹配。这就是为什么某些物理学家对此感到如此兴奋的原因:虫洞Gao,Jafferis和Wall允许您从黑洞中重建信息。 在他们的工作中,他们将虫洞放置在负弯曲的时空中,这通常是量子引力理论实验的有用但不切实际的领域。 但是,只要两个BH以正确的方式连接,虫洞的概念就会扩展到现实世界:“它们必须因果相连,然后我们描述的交互性质将是可以想象的最简单的情况,” Jafferis解释说。 如果允许一个BH的霍金辐射落入另一个BH中,则两个BH会发生纠缠,并且落入其中一个的量子信息来自另一个。

量子隐形传态格式禁止使用步行虫洞作为时间机器。 穿过虫洞的所有东西都必须等到爱丽丝的信息通过外层宇宙到达鲍勃,直到她可以离开鲍勃的BH为止,因此虫洞不会提供可用于时间旅行的超光速。 显然,只要不提供速度优势,可步行的虫洞就可以自然存在。 Gao,Jafferis和Wall在他们的工作中写道:“合格的虫洞就像是银行的贷款。” “只有当你有足够的钱不需要你时,你才能得到它。”

幼稚章鱼


尽管可通行的黑洞不会彻底改变太空旅行,普雷斯基尔认为,新发现为黑洞防火墙问题提供了“有希望的解决方案”,这表明他们的视野中没有防火墙。 Preskill说,这一发现保留了“黑洞互补性”,这意味着BH的内部和外部不是两个不同的系统,而是充当了两种不同但互补的查看同一系统的方式。 正如许多人所建议的那样,如果互补性仍然存在,那么当将BH事件的视线从宇宙的一部分转移到另一部分时,来自Kontakt的Ellie Arroway不会感到任何奇怪。 显然,在某些条件下,她甚至可以从高加菲斯·沃尔的虫洞中溜走。

虫洞还可以保护统一性(不丢失信息的原理),至少在当前正在研究的BH令人困惑的情况下。 正如Preskill所说,落入一个BH的所有物体都以霍金辐射的形式来自另一个,然后“可以被认为是BH内部的非常强加密的版本”。

Preskill总结了一个合理结论的结论,认为(至少对于一个无限先进的文明,“可以通过操纵其辐射来影响其中一个BH的内部。这听起来很疯狂,”正如他在一封信中写道,但“如果我们回想起与黑洞混淆的辐射-EPR-与带有虫洞-ER的黑洞内部相连的话,这可能是有道理的。然后,辐射操纵可以发送一条信息,该信息可以在黑洞内部读取!!但是我们之前还有很多工作要做我们怎么能 米详述这个图象的描述“。

推广新的开放虫洞来描述所有量子信息的命运以及方程式ER = EPR的值有很多障碍。


章鱼的草图说明ER = EPR

Muldasena和Sasskind的论文证明了ER = EPR,是一张被称为“章鱼”的草图:一个黑洞,上面有触手状的虫洞,导致从那里发射出遥远的Hawking粒子。 作者解释说,该草图说明了“ BH与霍金辐射之间的纠缠。 我们相信这种纠缠会导致黑洞的内部几何形状。”

但是,根据惠灵顿维多利亚女王大学的数学家和广义相对论专家马特·威瑟(Matt Wisser)的说法,他从1990年代开始研究虫洞,所以他并不需要从字面上勾勒出章鱼的轮廓。 在各个霍金粒子之前形成的虫眼孔将非常薄,以至于量子比特将不会穿过它们。 Visser解释说:“可通过的虫洞仅对直径小于其半径的波包透明。” “大波包只会从小虫洞反弹,而不会在另一侧越过它们。”

斯坦福大学(Muldasena and Young)近期著作的合著者坦承,这可能是对ER = EPR的最简单解释的一个问题,其中每个霍金粒子都有自己的触手虫洞。 但是,对于他和他的同事正在考虑的想法的更抽象的解释并没有遭受这个缺陷的困扰。 “我们认为,为了使用可传播的虫洞从霍金辐射中恢复信息,有必要在一个地方收集霍金辐射并以相当复杂的方式进行处理。” 这样的集体测量可以提供有关早在BH中掉落的颗粒的信息。 正如他所说,他有一个“大的可走虫洞,由小的无用的触角组成。” 然后信息通过这个大虫洞传输。” 马尔达塞纳补充说,更简单地说,量子引力理论可能有一个新的,广义的几何概念,其中ER等于EPR。 他说:“我们认为量子引力应遵循这一原理。” “我们更多地将其视为理论指导。”

在1994年的通俗科学书籍《黑洞和时间的折痕》中 ,基普·索恩(Kip Thorne)钦佩虫洞研究中使用的推理。 他写道:“没有任何思想实验会给物理定律带来如此大的负担,就像卡尔·萨根(Karl Sagan)打来的电话那样,思想实验会问一个问题:“从物理定律的观点来看,无限先进的文明可以负担得起,什么不能呢?”

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN408679/


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