研究人员认为，黑洞最终将摧毁所有量子态

在 1970 世纪 XNUMX 年代初期的普林斯顿大学，可以看到著名的理论物理学家约翰惠勒在研讨会或即兴的走廊讨论中画了一个大“U”。 字母的左端代表宇宙的开始，一切都不确定，所有量子可能性同时发生。 字母的右端有时装饰着一只眼睛，描绘了一位观察者回顾过去，从而使 U 的左侧出现。

在这个惠勒所说的“参与式宇宙”中，宇宙围绕 U 膨胀和冷却，形成结构并最终创造出观察者，例如人类和测量仪器。 通过回顾早期宇宙，这些观察者以某种方式使它成为现实。

“他会说‘没有任何现象是真正的现象，除非它是一种观察到的现象，’”说 罗伯特·沃尔德，芝加哥大学的理论物理学家，当时是惠勒的博士生。

现在，通过研究量子理论在黑洞视界上的表现，沃尔德和他的合作者计算出了一种新的效应，这暗示着惠勒的参与宇宙。 他们发现，仅仅是黑洞的存在就足以将粒子的模糊“叠加”——处于多种潜在状态的状态——转变为明确定义的现实。 “它让人联想到这些黑洞视界正在观察，”合著者说 高塔姆·萨蒂什钱德兰，普林斯顿大学的理论物理学家。

“我们发现的可能是 [参与宇宙] 的量子力学实现，但时空本身扮演观察者的角色，”说 丹尼尔森，第三作者，也在芝加哥。

理论家们现在正在争论应该从这些警惕的黑洞中读出什么。 “这似乎在告诉我们一些关于引力影响量子力学测量方式的深刻信息，”说 山姆格拉拉，亚利桑那大学的理论天体物理学家。 但是，这是否会对研究人员逐步建立完整的量子引力理论有用，这仍然是任何人的猜测。

这种效应是物理学家在过去十年中发现的众多效应之一，这些物理学家研究了量子理论与低能量引力相结合时会发生什么。 例如，理论家们在思考 霍金辐射，这会导致黑洞慢慢蒸发。 “我们之前没有真正注意到的微妙影响给了我们限制，我们可以从中收集有关如何走向量子引力的线索，”说 亚历克斯·卢普萨斯卡，范德比尔特大学的理论物理学家，没有参与这项新研究。

这些观察力极强的黑洞似乎产生了一种“非常引人注目”的效果，卢普萨斯卡说，“因为它不知何故感觉很深。”

黑洞和叠加态

要了解黑洞如何观察宇宙，请从小事做起。 考虑经典的双缝实验，其中量子粒子被射向势垒中的两个狭缝。 那些通过的人会被另一边的屏幕检测到。

起初，每个移动的粒子似乎随机出现在屏幕上。 但随着更多粒子通过狭缝，就会出现明暗条纹图案。 这种模式表明每个粒子的行为就像同时通过两个狭缝的波浪。 这些波段是由波峰和波谷相加或相互抵消产生的——一种称为干涉的现象。

现在添加一个检测器来测量粒子通过两个狭缝中的哪一个。 明暗条纹的图案将消失。 观察行为改变了粒子的状态——它的波浪性质完全消失了。 物理学家说，检测设备获得的信息将量子可能性“退相干”为确定的现实。

重要的是，您的探测器不必靠近狭缝即可确定粒子所走的路径。 例如，带电粒子会发出远程电场，其强度可能会略有不同，具体取决于它是通过右手狭缝还是左手狭缝。 从远处测量这个场仍然可以让您收集有关粒子所走路径的信息，从而导致退相干。

2021 年，Wald、Satishchandran 和 Danielson 正在探索当假设的观察者以这种方式收集信息时所带来的悖论. 他们想象一个名叫爱丽丝的实验者在叠加态中创造了一个粒子。 稍后，她寻找干涉图案。 只有当爱丽丝观察它时，它没有与任何外部系统过于纠缠，粒子才会表现出干扰。

然后 Bob 来了，他试图通过测量粒子的远程场来从远处测量粒子的位置。 根据因果关系规则，Bob 不应该影响 Alice 的实验结果，因为当 Bob 的信号到达 Alice 时，实验应该已经结束。 然而，根据量子力学的规则，如果 Bob 确实成功地测量了粒子，它就会与他纠缠在一起，而 Alice 将看不到干涉图样。

三人组严格计算出，由于鲍勃的行为而导致的退相干量总是小于爱丽丝自然会因她发出的辐射（也与粒子纠缠）而引起的退相干量。 所以 Bob 永远无法解相干 Alice 的实验，因为她自己已经解相干了。 尽管这个悖论的早期版本是 2018年解决 通过沃尔德和另一组研究人员的粗略计算，丹尼尔森更进一步。

他向他的合作者提出了一个思想实验：“为什么我不能把 [Bob 的] 探测器放在黑洞后面？” 在这样的设置中，事件视界外叠加的粒子将发出穿过视界的场，并被黑洞另一侧的 Bob 检测到。 探测器获得有关粒子的信息，但由于事件视界是一张“单程票”，因此任何信息都无法返回，丹尼尔森说。 “鲍勃无法从黑洞内部影响爱丽丝，所以同样的退相干必须在没有鲍勃的情况下发生，”该团队在一封电子邮件中写道 广达. 黑洞本身必须退相干叠加。

“在参与式宇宙的更具诗意的语言中，就好像地平线在观察叠加，”丹尼尔森说。

利用这种洞察力，他们开始着手精确计算量子叠加如何受到黑洞时空的影响。 在 一篇论文 他们于 XNUMX 月份在预印本服务器 arxiv.org 上发表，他们找到了一个简单的公式，该公式描述了辐射穿过事件视界并因此导致退相干发生的速率。 沃尔德说：“对我来说，这种影响是非常令人惊讶的。”

地平线上的头发

事件视界收集信息并导致退相干的想法并不新鲜。 2016 年，斯蒂芬·霍金、马尔科姆·佩里和安德鲁·斯特罗明格 描述 穿过事件视界的粒子如何伴随着记录这些粒子信息的极低能量辐射。 这一见解被建议作为黑洞信息悖论的解决方案，黑洞信息悖论是霍金早期发现黑洞发出辐射的深刻结果。

问题是霍金辐射从黑洞中吸取能量，导致它们随着时间的推移完全蒸发。 这个过程似乎会破坏任何落入黑洞的信息。 但这样做会与量子力学的一个基本特征相矛盾：宇宙中的信息不能被创造或毁灭。

三人组提出的低能辐射可以通过让一些信息分布在黑洞周围的光晕中并逃逸来解决这个问题。 研究人员称信息丰富的光环为“柔软的头发”。

Wald、Satishchandran 和 Danielson 并没有研究黑洞信息悖论。 但他们的作品使用了柔软的头发。 具体来说，他们表明，不仅当粒子落入视界时，而且当黑洞外的粒子仅仅移动到不同的位置时，都会产生柔软的毛发。 外面的任何量子叠加都会与地平线上的柔软毛发纠缠在一起，从而产生他们发现的退相干效应。 通过这种方式，叠加被记录为地平线上的一种“记忆”。

计算是“软发的具体实现”之说 丹尼尔·卡尼，劳伦斯伯克利国家实验室的理论物理学家。 “这是一篇很酷的论文。 这可能是一个非常有用的结构，可以让这个想法在细节上发挥作用。”

但对于卡尼和其他几位在量子引力研究前沿工作的理论家来说，这种退相干效应并不那么令人惊讶。 电磁力和引力的远程性质意味着“很难将任何事物与宇宙的其余部分隔离开来，”说 丹尼尔·哈洛，麻省理工学院理论物理学家。

完全退相干

作者 争论 这种退相干有一些独特的“阴险”之处。 通常，物理学家可以通过将实验与外部环境隔离开来控制退相干。 例如，真空消除了附近气体分子的影响。 但是没有什么可以屏蔽引力，所以没有办法使实验免受引力的远程影响。 Satishchandran 说：“最终，每一个叠加都会完全退相干。” “没有办法绕过它。”

因此，作者认为黑洞视界在退相干中发挥的作用比之前已知的更为积极。 “宇宙本身的几何结构，而不是其中的物质，是造成退相干的原因，”他们在一封电子邮件中写道 广达.

卡尼对这种解释提出异议，称新的退相干效应也可以理解为电磁场或引力场与因果关系设定的规则相结合的结果。 与黑洞视界随时间变化的霍金辐射不同，在这种情况下，视界“没有任何动态”，卡尼说。 “地平线本身没有任何作用； 我不会使用那种语言。”

为了不违反因果关系，黑洞外的叠加态必须以最大可能的速率退相干，黑洞内的假设观察者可以收集有关它们的信息。 “它似乎指向了一些关于引力、测量和量子力学的新原理，”格拉拉说。 “你不会期望在引力和量子力学形成 100 多年后发生这种情况。”

有趣的是，这种退相干会发生在任何地方，只要存在一个只允许信息沿一个方向传播的视界，就会产生因果悖论的可能性。 已知宇宙的边缘，称为宇宙视界，是另一个例子。 或者考虑“林德勒视界”，它在不断加速并接近光速的观察者身后形成，以至于光线无法再追上他们。 所有这些“杀戮地平线”（以 19 世纪末 20 世纪初德国数学家的名字命名） 威廉基林) 导致量子叠加退相干。 “这些地平线确实以完全相同的方式注视着你，”Satishchandran 说。

对于已知宇宙的边缘观察宇宙内部的一切究竟意味着什么并不完全清楚。 “我们不了解宇宙视界，”卢普萨斯卡说。 “它超级迷人，但比黑洞更难。”

无论如何，通过提出这样的思想实验，引力和量子理论发生碰撞，物理学家希望了解统一理论的行为。 “这可能会为我们提供更多关于量子引力的线索，”沃尔德说。 例如，新效应可能有助于理论家理解纠缠与时空的关系。

“这些效应必须成为量子引力最终故事的一部分，”卢普萨斯卡说。 “现在，它们会成为深入了解该理论的关键线索吗？ 值得研究。”

参与宇宙

丹尼尔森说，随着科学家们继续了解所有形式的退相干，惠勒的参与宇宙概念变得更加清晰。 宇宙中的所有粒子，似乎都处于微妙的叠加状态，直到它们被观察到。 确定性通过交互出现。 “我想，惠勒就是这么想的，”丹尼尔森说。

作者说，与其他类型的退相干相比，黑洞和其他杀戮视界一直在观察一切，“无论你喜欢与否”，这一发现比其他类型的退相干“更能唤起”参与性宇宙。

并不是每个人都愿意大规模购买惠勒的哲学。 “宇宙观察自己的想法？ 对我来说，这听起来有点像绝地武士，”卢普萨斯卡说，但他也同意“万物都在通过相互作用一直观察自己。”

“诗意地，你可以这样想，”卡尼说。 “就我个人而言，我只想说地平线的存在意味着它周围的田野将以一种非常有趣的方式卡在地平线上。”

当 Wheeler 在 1970 年代 Wald 还是学生时第一次画出“大 U”时，Wald 并没有多想。 “惠勒的想法让我印象深刻，因为它没有那么扎实，”他说。

现在？ “他所做的很多事情都是充满热情和一些模糊的想法，这些想法后来被证明是正确的，”沃尔德说，并指出惠勒早在计算效应之前就预见到了霍金辐射。

“他把自己看作是举起一盏灯，照亮其他人可能遵循的道路。”