量子纠缠和宇宙黑洞 科学网

2019-07-20  育则维善...

2019年7月,量子纠缠(两个光子)照片首次公布

2019年4月,宇宙黑洞(质量为太阳的65亿倍)照片首次公布

量子纠缠和宇宙黑洞,一个极小,一个极大,照片看上去却有点相似。宇宙黑洞的照片再次明白无误地验证了爱因斯坦的广义相对论;而量子纠缠的照片,再次彻底否定了爱因斯坦的局域理论。但在理解与否定爱因斯坦提出的佯谬(Einstein-Podolsky-Rosen)——量子纠缠的理论渊源——的过程中,科学家开创了量子信息学,包括量子通讯和量子计算。

量子计算机是传统计算机的推广,利用量子纠缠效应,可以叠加传统计算机的所有状态,作出所有可能的变换,也就是说所有相对应的传统计算可以同时并行完成,按照一定的概率叠加起来输出。量子计算是日新月异的研究领域,今年年初IBM推出IBM System One第一代商用量子计算机,用户可以通过云计算使用它进行科学研究,虽然它的速度还远远比不上传统计算机,但未来的潜力无限。

有趣的是,人脑可能也是量子计算机,利用量子纠缠现象工作,因此才如此高效,以极低的能耗和体积,作出与当今世界最先进的庞然大物超级电子计算机相当的计算速度和计算量,虽然其具体工作机制和物质目前还不清楚。爱因斯坦那令人惊叹的大脑,也许是量子深度纠缠的结果,叠加出常人无法进入的一个非同寻常的世界。

量子纠缠也被认为是破解时间之谜的钥匙。物理学的基本定律,都是正反时间对称的,无法分辨时间向前或退后。而实际测量到的时间,总是流向前方,从来没有人能够回到过去(进入未来是可以的)。物理学家对此非常困惑,只能从热力学的统计分布来理解时间之箭,虽然每个微观过程都在时间上可逆。

Seth Lloyd 在1988年提出一个猜想,认为量子纠缠是时间单一流向的源头:时间的流向来自粒子之间的关联和叠加之不可逆——量子纠缠效应的结果。之后物理学家对此进行了深入研究,提出微观粒子由于相互作用而形成的量子纠缠,导致能量在整个环境中的散布与平衡,显示出时间的流向。

有物理学家提出,时间是一种从量子纠缠衍生出的现象,从而能将量子力学与广义相对论连在一起,完成爱因斯坦花了最后30年时间却失败了的大统一理论。然而早期(1960年代)这一尝试的巨大困难,在于不能将时间纳入量子引力理论,导致著名的时间问题。1983年,Page和Wooters提出一个方案,利用量子纠缠来度量时间。由于技术障碍,直到2013年这个想法才被实验检验,这一研究领域尚在雏形。

目前不仅光子、电子一类的微观粒子,而且分子、富勒烯,甚至小钻石这些介观粒子,都被成功地观测到量子纠缠现象。从理论上来说,量子纠缠也能发生在两个宇宙黑洞之间,而后如果这两个纠缠的黑洞分开,就可以形成一个连接二者的“虫洞” 。因此宇宙虫洞实际上是宏观尺寸的量子纠缠现象。我们知道,透过虫洞可以做瞬时的空间转移或者时间旅行——当代科幻小说的重要主题之一,然而迄今为止,还未观测到虫洞存在的切实证据。

在此理论基础上,物理学家进一步提出,爱因斯坦的引力场方程不是对引力的最基础描述,引力的本源来自量子纠缠。在纠缠粒子生成的同时,虫洞也生成了。微观粒子的纠缠形成极其细微的虫洞,而宏观物体之间的纠缠,或者无数微观粒子纠缠的叠加,导致宏观虫洞在第五维时空产生。根据全息原理,所有第五维的事件都可以转换为其在四维时空的对应事件。理论家认为第五维时空的宏观虫洞,可以转换为四维时空的弯曲。

因此引力以及质量弯曲时空的能力來自于量子纠缠。目前引力被爱因斯坦场方程精确地描述,尚未发现任何实验现象偏离这个方程的预言。未来的量子引力理论,应该能够显示这一点,并且发现与基于经典物理的爱因斯坦场方程不同计算结果的宇宙现象。



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