黑洞內發生什麼事?物理學家想用量子糾纏新方法窺知

作者 | 發布日期 2019 年 03 月 07 日 15:22 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

在現有認知中,黑洞如無底空間,所有事物進得去、出不來,沒人知曉黑洞裡究竟發生了什麼事。但是物理學家一項新實驗表明,可能有個量子力學新方法可以窺探黑洞內部。



愛因斯坦廣義相對論如此描述黑洞:一個質量大到附近物質或輻射都無法逃離其重力場的天體,而通過黑洞事件視界(event horizon)的粒子將永遠困在事件視界之內,連速度最快的光子都無法逃脫;換句話說,視界之外的觀測者再也無法取得這些消失粒子的訊息。

然而量子力學表示,所有物理資訊比如粒子的質量、動量或是溫度,就算進入黑洞也永遠不會消失,只是在多體糾纏狀態下被隱藏或擾亂了,也因此一些量子物理學家聲稱,只要等待黑洞發出霍金輻射後逐漸縮小至原本尺寸的一半,我們就能重建消失粒子的訊息;而廣義相對論與量子力學理論結合,產生了尚待物理學界解決的黑洞資訊悖論(Black hole information paradox)。

可惜的是,光是一個質量與太陽相當的黑洞,要等它蒸發殆盡就得花上 10 67  年,遑論至今為止,我們觀測到的最小黑洞至少為 3.8 倍太陽質量;而一個超大質量黑洞甚至可存活 10 90  年,比當今宇宙年齡還要大上 N 倍。

所以被動等待一途不科學,那還有什麼方法能嘗試從黑洞中提取訊息?一個已經不算新的概念叫做量子糾纏。

一對相互交纏的粒子彼此狀態會互補,測量一個粒子的物理性質,另一個粒子就會立即出現相反的結果,愛因斯坦稱之為「鬼魅般的超距作用」,最近一項實驗還表明,量子糾纏的作用速度比光速快至少 10,000 倍。

(Source:pixabay

假如現在有一對糾纏的粒子 A 與 B 被拆開,A 落入黑洞內,B 倖存下來逃離黑洞(產生霍金輻射),它們彼此仍然會相互聯繫,新研究主要作者、馬里蘭大學學院市分校聯合量子研究所(Joint Quantum Institute,JQI)研究生 Kevin Landsman 表示,我們將能透過測量 B 粒子得知 A 粒子的所有行為。

儘管在黑洞內的粒子也會與其他粒子相互作用、擾亂原本物理資訊,但新論文表示,若能「大量」運算霍金輻射中被拆開且逃逸的交纏粒子,原則上仍有可能一窺黑洞內部光景,雖然過程鐵定困難無比,我們還得先證實霍金輻射真的存在。

研究共同作者加拿大圓周理論物理研究所(Perimeter Institute)物理學家 Beni Yoshida、加州大學柏克萊分校物理學家 Norman Yao 等人,提出了基於 OTOC(out-of-time-order correlation)函數的實驗方法(可根據時間變化比較粒子的量子態),並建立一個以相互糾纏的量子位元(qubit,又稱為 Q 位元)進行運算的量子電腦。

接著,團隊再建立 3 個鐿原子之原子核相互糾纏的簡單模型,運算過程太複雜,但簡單說,可以判斷一個粒子的物理性質是否因和其他粒子互動而陷入無法辨識之混亂狀態,或者只和自身糾纏粒子相互作用。計算結果表明,一半的量子態受擾亂,另一半則經量子退相干(Quantum decoherence)效應喪失。

這項研究成果非凡,雖然離我們揭開黑洞內部之謎還有段技術距離需解決。新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖來源:pixabay