介绍
2013年XNUMX月,数十位著名理论物理学家齐聚加利福尼亚州圣巴巴拉,讨论一场危机。 他们对黑洞的脆弱理解正在分崩离析。 从远处看,就像通过望远镜一样,黑洞的行为应该像一颗行星、一颗恒星或任何其他基本粒子的集合体。 但如果物理学家像大多数人一样相信阿尔伯特·爱因斯坦的工作,那么当他们从黑洞边界内的人的角度考虑黑洞时,就会出现不可能的后果。
去年的一次思想实验加剧了这种观点的冲突,突然结束了那些认为外部观点是根本观点的人和那些关注内部观点的人之间长达两年的停战状态。 突然间,各种神圣的身体信仰都引起了争论。 思想实验背后的人们绝望地暗示,黑洞内部可能根本不存在——时空在黑洞的边缘终止于黑洞的边缘。 字面上的火墙.
作为这种想法的延伸,一位与会者甚至以开玩笑的方式提出,这个悖论似乎意味着已知的物理定律可能随时都会崩溃,这一观察结果赢得了喜剧地窖的笑声。 。 其中一位资历较浅的参与者, 丹尼尔·哈洛,拿起麦克风,难以置信地说了一声“伙计”,然后将谈话引回到不那么异端的话题上。
说:“只是进行了一阵头脑风暴” 帕特里克·海登,一名计算机科学家,后来成为斯坦福大学的物理学家。 “人们愿意冒险提出疯狂的想法,这令人震惊。”
经过又一个十年的争论和计算,哈洛现在是麻省理工学院的高级物理学家,他相信他和一群崭露头角的理论家终于找到了方法,或者至少是一种使外部平方的方法。和内部景观。 通过这样做,他们在相对论和量子理论的交战世界之间建立了某种缓和关系。 他们的解决方案将量子信息理论和 2019年突破性计算,是一个令人头疼的、来之不易的尝试,既拥有外部,又保留大部分内部。
“他们成功地表明,至少在原则上,这种紧张局势是可以解决的,”说 汤姆·哈特曼康奈尔大学的物理学家在另一种引力模型中发现了他们的理论的一个旗舰特征。
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虽然他们的程序目前仅适用于黑洞的简单漫画,但它捕捉到了坍缩恒星的许多奇特特征。 如果它适用于真正的黑洞,它将最终回答一系列经典的黑洞问题,从宇航员掉入黑洞时的经历到分子排列中包含的信息的最终命运。
“这在某种程度上代表了一场革命的结束,而不是一个开始,”他说。 杰夫·彭宁顿是加州大学伯克利分校的物理学家,也是这项新工作的贡献者。
“这是非常令人兴奋。 这可能是错误的,但我认为这是正确的本质。” 奥利弗·德沃尔夫是科罗拉多大学博尔德分校的物理学家,也是去年以哈洛和公司的提议为基础的少数研究人员之一。
该小组致力于通过造成皮肉创伤来拯救黑洞内部,使其免于彻底的牺牲:具有讽刺意味的是,哈洛和他的同事提出,熟悉的物理定律确实在黑洞内部崩溃了——而且可能一直在任何地方。 但它们以一种以前不为人知的方式做到这一点,这种方式太微妙,任何人都不会注意到。 从根本上来说,约束不是来自物质或时空的东西。 相反,它来自于关于复杂性的争论——复杂性是海量量子信息中包含的本质上无穷无尽的可能性。
从霍金辐射到防火墙
圣巴巴拉研讨会的一场会议由黑洞革命的首席设计师主持。 从他位于剑桥的办公室通过一个巨大的投影仪屏幕进行Skype通话 斯蒂芬·霍金 捍卫了空间和时间在黑洞内部存在的观点。 “不久前,我写了一篇论文,引发了一场一直持续到今天的争议,”他开始说道。
争论的焦点是黑洞似乎是宇宙中最伟大的消失行为的舞台。
1974年,霍金 计算 在事件视界(黑洞周围的不归路球体)周围,量子涨落会产生成对的粒子。 一个伙伴掉入黑洞,而另一个伙伴逃脱。 随着时间的推移,伙伴们在黑洞内部和外部堆积起来,在不断扩大的“霍金辐射”云中飞行。
问题始于这样一个事实:根据量子力学的术语,每个粒子都通过纠缠连接在一起,这意味着两个粒子共同携带一个信息单位。 每个合作伙伴就像一枚硬币的表面,可以用来回答是或否的问题。 如果物体可以存在于称为叠加的量子组合中,则这种单一的是或否的能力称为“位”或“量子位”。 但与硬币的两个面不同的是,纠缠的粒子可以分离。 不过,如果一项测量发现外部合作伙伴的读数为“正面”,那么另一项测量肯定会发现内部合作伙伴的读数为“反面”。
这似乎与霍金计算的第二个结果相冲突。 当黑洞辐射粒子时,它最终会完全蒸发。 经过无数亿万年之后,只剩下辐射云。 但由于每个外部伙伴与其内部伙伴共享一位,因此霍金辐射本身就像装满单面硬币的存钱罐一样毫无意义。 黑洞内部的信息量子比特记录了黑洞的生命以及所有落入黑洞的东西,但它们似乎消失了——这是一个荒谬的发展。
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“只要那些东西在里面的某个地方就可以了,”说 萨米尔·马图尔俄亥俄州立大学物理学家,2013 年会议协调员之一。 “但如果黑洞消失了,外面的人就根本没有任何确定的状态了。”
老黑洞令人费解的消亡导致物理学家们采取了两种相互冲突的观点之一,这取决于他们是忠于爱因斯坦的弯曲时空理论(即广义相对论),还是忠于量子力学。 霍金多年来一直把赌注押在爱因斯坦身上。 霍金认为,如果捕获粒子并擦除它们的量子比特违反了量子力学对单面硬币的禁令,那么对量子力学来说就更糟糕了。
其他人则更愿意将注意力放在黑洞之外。 他们站在量子力学一边,量子力学严格保证了信息永远不会真正丢失的浪漫观念。 例如,在烧毁一本日记后,人们可以想象捕获烟雾、灰烬和热量并重建丢失的句子。 黑洞可能比篝火更猛烈地扰乱日记的粒子,但同样的逻辑也适用。 如果霍金辐射是剩下的一切,那么文本的信息一定以某种方式泄漏到其中——更不用说爱因斯坦的时空理论要求它被困在里面。
悖论的最后一个部分是霍金的分析发现辐射是完全随机的——没有任何可以解码的信息。 他的工作提出了两个相互矛盾的结论:黑洞蒸发(意味着辐射最终应该带走信息),以及辐射不携带信息。 他们不可能都是对的,因此大多数物理学家认为霍金在某种程度上犯了错误。
但他的错误并不明显。 霍金通过分析量子场在轻微弯曲的时空中的作用方式发现了辐射及其随机性——这是一个经过严格测试的框架,称为半经典物理学。 霍金的半经典方法仅依赖于量子力学和广义相对论的某些方面,这似乎无可非议。 类似的处理构成了大多数现代理论的基础,包括著名的粒子物理学标准模型。
物理学家预计,当引力变得强烈时,半经典物理学就会动摇,就像在黑洞中心、远远超出事件视界的情况一样。 但对于大型黑洞来说,事件视界本身应该是无害的。 一位好奇且物资充足的宇航员可能会掉进去并存活很长一段时间,然后在中心附近不可避免地死亡。 事实上,在 M87 星系中心巨大黑洞的地平线上, 第一个黑洞 为了直接成像,重力的拉力并不比地球上的大。 如果霍金做出了错误的半经典假设,那么地球上的其他人也是如此。 “如果[半经典物理学]所描述的物理定律在地球上起作用,”说 亚历克斯·马洛尼麦吉尔大学的物理学家,“为什么他们不应该在事件视界工作?”
在围绕霍金的假定错误进行了数十年的争论之后,一些物理学家试图促成双方休战。 1993年, 伦纳德·苏斯金德 斯坦福大学的教授开始支持没有错误的观点。 粗略地说,这场冲突源于一种不切实际的愿望,即在一个人的脑海中同时掌握黑洞的内部和外部。
相反,苏斯金德和合作者认为,外面的宇航员讲述的故事与坠落的宇航员报告的故事完全不同。 远处的宇航员会目睹他们的同伴在黑洞表面上煎饼,当黑洞吸收入侵者时,黑洞表面会产生波纹。 他们会看到信息在黑洞表面传播,最终以辐射的形式消失,而不会在内部消失。 然而,从同伴的角度来看,她安全地进入了黑洞,她和她的信息都被困在那里。 她的说法与她朋友的说法不同,但鉴于她无法发话反驳他们的报道,这真的有问题吗? 从某种意义上说,这两种叙述可能是互补的。
“我总是觉得这很令人困惑,”说 斯科特·阿伦森德克萨斯大学奥斯汀分校的理论计算机科学家,但“人们在一两年内就确定了这一点”。
2012 年,四位物理学家的出现彻底推翻了互补性论证。 艾哈迈德·阿尔姆海里 (Ahmed Almheiri)、唐纳德·马洛夫 (Donald Marolf)、约瑟夫·波尔钦斯基 (Joseph Polchinski) 和詹姆斯·苏利 (James Sully)——这支小队通常以他们的首字母缩写 AMPS 命名——详细介绍了一个两步走的计划 思想实验 这将使一个观察者能够同时目睹黑洞将信息隐藏在两个地方。
首先,一名宇航员在外面舀起黑洞在其 10 颗星的大部分时间里发射的每一个粒子。67年寿命。 假设信息进入辐射,一些外部伙伴一定已经相互纠缠在一起,给他们确定的状态。 宇航员分析这些粒子并确认它们是纠缠在一起的。 “假设你有一笔很长的[研究]资助,”阿伦森说。
然后,她潜入黑洞,并确认她在外面研究的一些伙伴也与内部的伙伴纠缠在一起。 霍金的半经典计算表明她会找到这一点,这意味着黑洞外面看起来像公平的双面硬币的东西里面隐藏着非法的第三面。
AMPS 已经证明霍金悖论是无法隐藏的。 他们不情愿地站在黑洞外部的量子力学一边,结果他们牺牲了内部空间:也许黑洞在地平线处设有“防火墙”,从而蒸发了落入的物质,阻止了任何爱管闲事的宇航员完成实验。 “黑洞根本没有内部,”阿伦森在描述他们的结论时说道。 “当你试图跳进去时,你会遇到时空的尽头。”
没有人对这个想法感到满意,因为半经典物理学没有表明跨越地平线的感觉与跨越从伊利诺伊州到爱荷华州的边界应该有什么不同。 社区组织了一系列研讨会,集思广益,找出摆脱困境的方法,最终 圣巴巴拉会议.
哈洛说:“我们度过了愉快的几个月,每个人都试图消除这种争论,但没有成功。”
在一片混乱中,哈洛与当时的计算机科学家海登合作,研究宇航员如何才能真正进行 AMPS 实验。 他们将黑洞视为一种量子加密装置——它接收清晰的信息(正常物质)并吐出看似混乱的信息(辐射)。 在这种情况下,人们可以想象通过使用一台机器来解读信息来进行 AMPS 实验——一台像量子计算机这样的机器。 通过阿伦森关于量子计算极限的博士论文的关键结果,他们发现了一些奇怪的东西。
黑洞会如此彻底地粉碎掉入的物质,以至于如果宇航员真的让量子计算机来解读辐射,这项任务将需要亿万年的时间。 需要很长时间,进度条甚至还不到百分之一时,黑洞就已经消失了。 到那时,宇航员将无法跳入内部捕捉外部信息,因为内部将不存在。
“这是一个我们真的不知道该如何处理的观察结果,”哈洛说。 “十年后,我们终于知道该怎么处理它了。”
如何在量子计算机上创造时空
2013 年的工作结束后,哈洛将黑洞放在一边,专注于一个更简单的问题:空间本身。 他开始研究一种不切实际的倒置空间,称为反德西特空间,它也承认两种截然不同的描述,就像黑洞似乎一样。
“如果我对反德西特空间有足够的了解,这将表明我们前进的方向,回到黑洞,”哈洛回忆道。 “这确实成功了。”
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物理学家对反德西特空间着迷,因为它以一种奇特的方式弯曲,允许无限体积的空间容纳在有限的边界内。 更引人注目的是,似乎有一种方法可以用生活在边界上的粒子来重塑反德西特空间中发生的任何事件,这些粒子遵循完全不同的物理规则。 例如,位于中央反德西特区域的太阳系可以被描述为散布在边界周围的粒子的集合,这些粒子仅服从量子理论,并且根本没有重力或时空感。
哈洛面临的主要问题是,边界上没有时空概念的粒子如何能够捕获中心区域行星居民的体验,对于他们来说,时空无疑是重要的。 天真地,我们可能会遇到这样一个问题:边界事件可能会在整个中间瞬间产生反响——在中间,效果需要时间才能传播。 由于这个问题,边界粒子和中心时空之间的关系应该是松散的,这样边界的变化不会立即影响到中间,但又不能松散到边界完全无法追踪中心发生的事情。 。
“你需要独立于系统的所有部分,但不能独立于系统,这就像aaargh,”哈洛沮丧地举起双手说道。
最终,哈洛意识到一批研究人员已经解决了这个问题。 他们根本就没有考虑过时空的结构。 他们正在发明量子计算机纠正错误的方法。
为了了解纠错如何体现哈洛所寻求的金发姑娘关系,请考虑一种将经典的一位消息编码为三位传输的简单方案。 如果要表示 1,则发送 111。如果要表示 0,则发送 000。即使发生错误,接收方也可以采取多数表决。 它仍然会理解 001 表示 0,或 011 表示 1。单个错误不会破坏消息,因为信息存在于所有数字中。 该消息独立于每个单独的片段,但并不独立于整个传输——这正是哈洛所需要的。 纠正量子错误 量子位(相对于经典位)需要更复杂的方案,但这两个问题都具有在多个片段之间涂抹信息的特征。 2014年,Harlow 与 AMPS 的 Almheiri 和加州大学圣塔芭芭拉分校的 Xi Dong 合作解释 量子纠错码是如何实现的 可以在边界量子位之间传播反德西特时空信息。
这个想法的要点如下。 将反德西特空间中的中心点想象为一位消息。 边界粒子是传输的数字。 将边界分为三段弧。 任何一个粒子都知道相邻区域内的反德西特点。 但他们不知道该区域之外的点。 没有单个弧知道中心点,这种情况让人想起没有单个传输数字足以重建消息。
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但中心点确实位于属于任意两条弧线的组合区域内——这与两个传输数字足以破译消息的方式相呼应。 通过这种方式,纠错似乎是从两个角度理解空的反德西特空间的合适语言:要么作为普通时空,要么有趣的是,作为无空间量子比特的集合。
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“这有点令人惊讶,”德沃尔夫说。 量子信息不仅仅用于构建量子计算机。 “事实证明,这些想法足够重要,以至于量子引力似乎会利用它们。”
哈洛成功地将两种看待时空的方式联系起来。 唯一的问题是该框架没有达到其预期目的。 当时空包含黑洞时,量子纠错就失败了。
早在2012年,物理学家提出了用纠错码解决黑洞内部问题的想法。 但霍金计算中相互矛盾的观点再次困扰了他们。 事件视界内的宇航员会看到落入的辐射伙伴无限期地落下。 如果你把黑洞想象成一个宇宙硬盘,它的信息容量会在其一生中不断增加。
与此同时,处于黄金岁月的黑洞外的宇航员会看到黑洞在蒸发时尺寸实际上在缩小。 为了实现通过纠错来调和两个视角的愿望,哈洛似乎需要一种将不断增长的内部编码到其不断缩小的边界中的方法,这项任务就像要求水手将消息“SOS”放入单字符传输中一样。
“这个故事排除了黑洞的内部,”说 克里斯托弗·埃克斯麻省理工学院的研究员,2016 年作为研究生二年级学生,受到哈洛一篇有影响力的纠错论文的启发。 “这让我觉得很奇怪,所以我花了很多时间思考如何以更好的方式包含黑洞。”
他花了四年的时间才找到一个,又花了一年的时间来说服哈洛,让他相信这是有道理的。
信息逃逸的秘诀
当哈洛和埃克斯分别对黑洞的内部感到困惑时,一群研究人员正处于破解黑洞外部的边缘。 佩宁顿是一位冉冉升起的英国物理学家,也是其中的关键人物之一。 自 2013 年他 21 岁、正在剑桥大学读本科以来,他就错过了圣巴巴拉会议上的防火墙戏剧。
2015 年,当佩宁顿作为一名未来的研究生访问斯坦福大学时,他在攻读博士学位时研究量子引力和量子信息之间感到左右为难。 然后他遇到了海登。 佩宁顿惊讶地发现,他的母亲——牛津大学数学家弗朗西斯·科万——曾是海登的研究生导师之一,而土生土长的加拿大人海登曾帮助他的母亲计划一次前往安大略省乡村的独木舟之旅,他在当时他 8 岁。更令他惊讶的是,海登是用量子位解释黑洞的核心人物,融合了佩宁顿的两种兴趣。 两人决定一起工作。
海登和佩宁顿从他们认为的不完美纠错码的抽象问题开始,发表了 引人注目的量子信息纸 2017 年。那项工作没有提到黑洞或时空,但是 下一年 他们把自己的代码带到了反德西特的空间。 最终,遵循 2014 年制定的公式 内塔·恩格哈特(Netta Engelhardt)作为千禧一代的物理学家,佩宁顿逐渐怀疑反德西特空间的一个特定区域正在追踪熵,熵与从黑洞中喷涌而出的纠缠霍金辐射云的信息容量有关。 他花了 2018-2019 年的冬天独自研究细节,以验证他的预感。
“这是我一生中在物理学方面持续努力的最艰难的一次,”佩宁顿说。 “圣诞节期间我在墨西哥度假,但一直在暗自想着这件事。 我的朋友们一直问我,‘你为什么这么安静?’”
大约在同一时间,恩格尔哈特正在艰难地进行一项基本相同的计算。 2019年初,她与AMPS的Almheiri和Marolf以及斯坦福大学的Henry Maxfield联手,利用2014年的公式(该公式给出了涉及重力的情况下的熵)来研究黑洞外纠缠辐射中的信息。
两支球队得到了相同的答案,他们在 协调 文件 2019 年 XNUMX 月。计算相当于计算外部辐射中的“头部”——这会告诉你黑洞内部隐藏着多少个纠缠的“尾巴”。 对于年轻的空黑洞来说,随着事件视界分裂霍金对,分离的硬币面的数量会增加,正如霍金所预期的那样。 但随着年龄的增长,分离面的数量开始下降——这意味着黑洞已经填满,并以某种方式将信息清空到外部辐射中,正如量子力学所要求的那样。
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“这些五月的报纸真的太棒了,”哈洛说。 他们“有勇气进行计算”,给他留下了深刻的印象。 我本来以为这太难了。”
最后,佩宁顿、恩格尔哈特和他们的合作者认为他们了解了黑洞外正在发生的事情。 正如许多物理学家所假设的那样,信息确实泄漏到了辐射中。 这一事实产生了三个至关重要的后果。
首先,它缩小了霍金犯错误的可能性。 辐射不可能是真正随机的,那么为什么其他值得信赖的半经典物理学表明它是随机的呢?
其次,它将他们的理解前沿从黑洞外部转移到了内部。 位于旧黑洞事件视界内的宇航员将如何经历蒸发?
最后,它表明霍金的半经典框架几乎是正确的,并且迈出进入内部的第一步不需要成熟的量子引力理论。 他们成功地利用熟悉的时空成分分析了外部。 但只要稍微调整一下配方(2014 年的熵公式),他们就发现信息确实逃出了内部。 这些计算使他们确信黑洞内部的半经典观点不必被放弃。 防火墙越来越显得太过分了。
“如果我们抛弃内部描述,我们就等于把婴儿和洗澡水一起倒掉了,”恩格尔哈特说。 “有一种方法可以使用半经典引力进行正确的计算。”
恩格尔哈特是引力熵方面的专家,他拥有一些碎片,哈洛似乎还有一些。 恩格尔哈特在麻省理工学院的办公室与哈洛的办公室共用一堵墙,因此他们联手是很自然的事情。 大约在同一时间,埃克斯搬到麻省理工学院成为他们的博士后,他们三人开始 解决问题.
如何在量子计算机上打破时空
2020 年初,随着新冠疫情迫使世界进入室内,三名学者将他们的黑洞思想实验从麻省理工学院的黑板转移到了 Zoom 的数字环境中。
他们的目标是收集所有线索并开发某种转换过程,将半经典内部视角转变为量子力学外部视角。 这样的理论对于黑洞内的宇航员来说是有用的。 她可以拍摄周围环境的快照,运行整个程序,然后返回一张照片,告诉她外面的同事所看到的情况。 虽然这两张照片似乎捕捉到了不同的事件, 罗生门 风格,转换应该揭示场景是秘密兼容的。 这将是苏斯金德互补性愿景的更复杂的复兴。
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阿克斯已经说服自己,转换程序应该用量子纠错语言编写,就像哈洛已经针对真空计算出的那样。 半经典内部将是消息,而量子外部将是传输。 考虑到内部空间似乎在不断缩小的地平线内不断扩大,他们只得发明一种纠错码,可以将 SOS 信号塞进单个 S 中。
阿克斯面临着同事们的怀疑。 编码必须删除黑洞内信息的方式违反了量子力学对信息丢失的禁令。 如果内部宇航员烧毁了她的任务日志,她可能无法从灰烬中重建复制品。
“如果你正在修改量子力学,人们会认为你疯了,通常他们是对的,”哈洛说。 “我很犹豫。”
同年晚些时候,一位名叫 Shreya Vardhan 的麻省理工学院研究生(现就读于斯坦福大学)加入了团队。 她做了一些具体的熵计算,最终让所有人相信,轻轻打破内部的量子力学是彻底拯救外部的唯一方法。
“尤其是施雷亚和克里斯以不同的方式推动这一目标,”哈洛说。 “Shreya 为我打破了最后的障碍,我意识到这确实有意义。”
阿克斯一直在与佩宁顿合作,所以他也参与其中。 这项努力需要几年的断断续续的工作。 就在他们坐下来写结果时,五分之三的团队成员同时感染了 Covid-19。 但去年七月他们终于 发布了预印本 详细介绍了他们的理论,即黑洞内部如何用世界上最奇怪的纠错码在其外部进行编码。
这是它的工作原理。 黑洞内的一位自我牺牲的宇航员记录了她和黑洞周围的所有光子、电子和其他粒子的配置——一个由一堆量子位组成的量子数据文件,捕捉了她的半经典经验。 她的目标是了解此时外面她的伴侣的量子视角。 该小组开发了一种两步算法,人们可以想象在量子计算机上运行该算法来转换内部快照。
首先,该程序使用数学中最随机的变换之一将半经典量子位打乱,几乎无法识别。
然后是秘制酱汁。 第二步涉及后选择,这是一种奇怪的操作,信息理论家比物理学家更常用。 后选择让实验者可以操纵随机过程以获得期望的结果。 假设您想抛一枚硬币并连续得到 10 个正面。 你可以做到,只要你有耐心在每次出现反面时重新开始。 类似地,编码程序开始测量半经典量子位,但每次得到 1 时都会重新启动。最终,当它测量了大部分扰乱的量子位并成功获得一串零时,它会丢弃这些量子位。 剩下的少数未测量的量子位代表从外部观察的黑洞量子图像的像素。 因此,该代码将大型半经典 RAW 文件压缩为紧凑的量子 JPEG。
康奈尔大学的哈特曼说,这是“一种将大量半经典信息压缩到有限量子空间中的有损方式”。
但有一个很大的问题。 这样的程序如何删除如此多的半经典信息而不删除任何重要细节? 这个过程意味着半经典物理学充满了绒毛——内部宇航员可能观察到的粒子配置实际上并不真实。 但半经典物理学已经在地球上的粒子对撞机中经过了严格的测试,实验人员没有看到这种海市蜃楼的迹象。
“有多少状态是可靠编码的? 半经典理论能发挥多大作用?” 哈特曼说道。 “鉴于它必须是有损的,所以它根本不能做任何事情,这一点并不明显。”
为了解释一个有缺陷的理论为何能够表现得如此出色,该团队转向了海登和哈洛在 2013 年所做的奇怪观察,即解码 AMPS 实验的辐射需要采取如此多的步骤,实际上是不可能的。 也许复杂性可以掩盖半经典物理学的裂缝。 编码不会随意删除配置。 它只消除了某些粒子的排列,这些排列很复杂,因为它们需要很长时间才能出现,以至于内部宇航员永远无法指望亲眼目睹它们。
证明代码基本保持简单状态不变构成了大部分工作。 该小组认为,对于他们的两步过程的任何版本,从外部角度来看,创建一个没有对应物的复杂半经典配置基本上需要永恒的时间——对于一个 10,000 量子位的亚原子来说,大约是当前宇宙年龄的 50 倍。黑洞的斑点。 对于真正的黑洞,例如 M87 及其 1070-奇数量子位,打破半经典物理学的实验将比这花费指数级的时间。
该团队提出,黑洞凸显了现有物理框架的新崩溃。 就像爱因斯坦曾经预测牛顿的刚性距离概念在足够高的速度下会失败一样,他们预测半经典物理学对于涉及难以想象的步数和难以理解的时间长度的极其复杂的实验来说是失败的。
该组织认为,防火墙将是这种难以想象的复杂性的体现。 像 M87 这样的真正黑洞只存在了数十亿年——时间还不足以让半经典内部在防火墙中崩溃。 但如果有人能够进行极其复杂的实验,或者如果黑洞存在了极长的时间,那么所有半经典的赌注都将失败。
“存在一个复杂性边界,”哈洛说。 “当你开始做指数级的事情时,[物理学]真的开始变得不同。”
被复杂性的诅咒所拯救
一旦物理学家确信代码的损耗不会导致黑洞内的半经典物理出现明显的裂缝,研究小组就开始研究其后果。 他们发现这个明显的错误竟然是最终的功能。
“看起来很糟糕。 看起来你会丢失信息,因为你删除了很多状态,”埃克斯说。 但“事实证明这就是你想要的一切。”
特别是,它超越了 2019 年在解决信息如何走出黑洞方面的工作。 或者更确切地说,它表明量子位一开始就不完全在里面。
秘密在于转换的时髦第二步,即后选择。 后选择涉及相同的数学成分,即纠缠伙伴的测量,作为将信息从一个位置传送到另一个位置的教科书量子过程。 因此,虽然转换过程不是一个及时发生的物理事件,但它解释了信息如何从内部转换到外部。
本质上,如果内部宇航员转换在黑洞生命后期拍摄的快照,她就会了解到,似乎存在于她周围的粒子中——甚至是她自己的身体中——的信息是从外部角度来看的,实际上漂浮在霍金号中。向外辐射。 随着时间的推移,转变的过程将揭示出她的世界越来越不真实。 在黑洞消失前的那一瞬间,尽管宇航员的印象与此相反,但她的信息几乎完全存在于外部,在辐射中杂乱无章。 通过逐个快照地跟踪这个过程,该小组能够推导出恩格尔哈特的熵公式,该公式在 2019 年的辐射中找到了信息。它也是转换损失的副产品。
简而言之,这种转变解释了宇航员如何在不知不觉中体验到随着其成熟而越来越脱离外部现实的内部空间。 他们认为,霍金的错误在于将自己完全置于内部宇航员的立场上,并假设半经典物理学在黑洞内部和外部都运行良好。
正如哈洛和他的同事现在所相信的那样,他没有意识到半经典物理学无法准确捕捉需要指数复杂性的现象和实验。 例如,解码辐射中的扰乱信息将花费指数级的长时间,这就是为什么他的半经典分析错误地预测辐射没有特征。 特点就在那里; 只需要宇宙年龄的很多很多倍才能发现它们。
此外,当黑洞表面的尺寸缩小时,内部的信息容量似乎会增加,这是有原因的:半经典计算错误地包括了大量外部没有量子对应物的复杂状态。 如果物理学家考虑到复杂性对半经典物理学的影响,内部时空图景与外部量子图景之间的冲突就会消失。
“我们现在看到了解决这个悖论的一致方法,”哈洛说。
黑洞混乱
然而,尽管哈洛充满信心,但黑洞界的其他人仍有很多疑问。
主要的限制是代码所连接的理论非常简单。 量子力学描述具有辐射信息的量子位的集合。 半古典描述的内部与外部被事件视界分开。 就是这样。 没有重力,也没有时空感。 该代码具有悖论的核心特征,但缺乏许多细节,而这些细节是证明真正的黑洞以这种方式运行所必需的。
“一如既往地希望你有一个玩具模型,你已经提取了所有重要的物理原理并丢弃了所有不重要的物理原理,”马洛尼说。 “有充分的理由认为这是真的,但仍然保持谨慎很重要。”
存在大量替代解决方案,而真正的引力仍然可以通过其中一种方式解决这个悖论。 例如,俄亥俄州立大学的马图尔领导了一个研究项目,研究这样的一种选择。 在分析弦理论中坍缩恒星会发生什么时,他和他的合作者发现弦可能会阻止坍缩。 它们形成了一个扭动的团块,一个“模糊球,”其复杂的蠕动将阻止事件视界和悖论的形成。 马图尔对新解决方案提出了各种反对意见,并普遍认为有损代码是一个过于复杂的提议。 “信息悖论很久以前就得到了解决,”他说。 (通过毛球。)
与此同时,2019 年与 Engelhardt 合作发现辐射中信息的 Marolf 怀疑他们的解决方案可能过于保守。 “我担心的是这太容易了,”他说。
他因有损而窒息,这意味着当前形式的代码只能为内部宇航员提供唯一的答案。 如果外部宇航员拍了一张照片并想知道里面的内容,他将不得不猜测代码删除的半经典像素。 尽管这些状态在某种意义上是虚幻的,但它们对于理解人类内在的体验至关重要。 根据一些猜测,他可能会发现一个平静的内部。 在其他情况下,则是熊熊的防火墙。 无论外面的量子理论多么完善,都永远无法确定他跳进去会发现什么。
“这让我有点不安,”马洛夫说。 “我本以为一个基本的理论应该能够预测一切——包括我们所经历的现实。”
损失不断上升
一些对最初提议持怀疑态度的人后来开始接受这个想法,其中包括加州大学戴维斯分校的计算机科学家艾萨克·金 (Isaac Kim) 和加州理工学院的量子物理学家、出席会议的名人之一约翰·普雷斯基尔 (John Preskill)。 2013年防火墙对决。
“我们通过小道消息听说这项工作即将推出,”金说。 “听起来好像肯定出了什么问题。”
金对后选的使用感到不安。 过去的后选择应用包括时间机器和异常强大的量子计算机的蓝图,因此它的出现是一个危险信号。 他怀疑初始代码中缺少的细节,例如宇航员如何测量室外辐射然后落入其中,可能会与后选择结合起来,甚至弄乱外部视角并删除那里的信息。
然后在十二月,Kim 和 Preskill 升级了代码 并发现黑洞安全地继续对外辐射信息。 他们还发现,后选择并不能成为黑洞执行极其强大的计算或将宇航员送回未来的漏洞。
“值得注意的是,在这个模型中,即使你允许事后选择,这种情况也不会发生,”他说。 “这让我确信这里正在发生一些正确的事情。”
德沃尔夫和他的合作者肯尼思·希金波坦姆 进一步推广有损代码 在四月份。 他们还得出结论,它可以承受宇航员的坠落。
其他研究人员在过去的几个月里一直在检查他们最喜欢的引力理论是否隐藏了损失。 XNUMX月,不列颠哥伦比亚大学的Arjun Kar 移植 Harlow 和同事的有损代码 研究了著名的二维引力理论并发现它成立。 “他们似乎确实发现了有关量子纠错的一些有趣的东西,”他说。
沿着这条道路继续前进——在更多的引力理论中寻找损耗——是物理学家希望建立或摧毁真实引力实际上是这样运作的信心的主要方式。 很少有人梦想通过实验来探索代码。
“目前还不清楚我们将如何检验这个说法,”阿伦森说,“除了尝试在其基础上进一步建立量子引力理论,并看看该理论是否成功。”
然而,哈洛是一个梦想家。 “我不认为这是不可能的。 这只是很难,”他说道,并列出了以下思想实验。
你把一个小黑洞放在一个盒子里,捕获从里面发出的霍金辐射的每个光子,并将所有信息存储在量子计算机中。 因为从内部粒子的角度来看,这些信息似乎存在于黑洞内部,所以操纵辐射可能会立即影响粒子——这种真实的作用距离足以困扰任何物理学家。 “我不应该对辐射做任何事情来改变内部的任何东西,”哈洛说。 “这是因为你跨越了复杂性边界而出现的故障。”
但即使是为了幻想这样一个实验,哈洛也必须切换到一个永恒的宇宙,给自己足够的时间,因为我们不断膨胀的宇宙中的活动将逐渐减弱数万亿次,然后才能希望操纵哪怕是最微小的物质的辐射。黑洞。 (此外,Susskind 和其他人致力于 相关角度 黑洞之谜的一些人最近发现了与复杂性和深不可测的长时期相关的重叠想法。)
尽管如此,哈洛并没有被诸如宇宙热寂之类的小细节所吓倒。 他相信,如果涉及以近光速行驶的火车的不可能的思想实验对爱因斯坦来说足够好,那么它们对他来说也足够好。
“我们仍然没有火车,但[相对论]对我们测试的其他各种事物都有影响,”他说。
哈洛是众多黑洞物理学家中最新的一位,他们与物理证据的关系可能会让普通的观察者感到惊讶。 毕竟,没有人见过霍金辐射的一个光子,也没有人会看到。 即使你把詹姆斯·韦伯太空望远镜停在一个真正的黑洞周围的轨道上,它也太弱了。
但这并没有阻止几代物理学家,从斯蒂芬·霍金、伦纳德·苏斯金德到内塔·恩格尔哈特、克里斯·阿克斯等数十位物理学家,热烈讨论如何处理随着理论浴盆一起从黑洞中滚出的一系列冲突。光子。
即使在他们建立和强化自己的论据的同时,他们也承认,要了解黑洞是否代表最终的宇宙监狱或炽热的死刑,唯一决定性的方法就是开始最初难以想象的思想实验。
佩宁顿说:“如果两个人只关心解决分歧,那么他们所能做的就是介入。” “要么它们都立即蒸发,无论如何都无法解决它,要么它们进入内部,其中一个说,‘哦,公平地说,我错了。’”
编者注:本文中的许多科学家,包括丹尼尔·哈洛和克里斯·阿克斯,都获得了西蒙斯基金会的资助,该基金会也资助了这本编辑独立的杂志。 西蒙斯基金会的资助决定对我们的报道没有影响。 更多细节是 可在这里.
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