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一石三鸟:同时解决量子力学、宇宙学与黑洞三个领域的难题   

2014-07-07 17:02:31|  分类: 每日科学新闻 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》http://www.huanqiukexue.com/html/scilogs/2014/0707/24577.html

墨西哥的理论物理学家发现一种方法,可以同时解决量子力学、宇宙学,和黑洞方面的难题。

  


图片来源:哈勃太空望远镜
 
作者序:我们真该庆幸关于量子力学的争论听起来还算有趣,因为这些争论看起来会无休无止地持续下去。在量子力学中,各种各样的诠释都能得出同样的实验预言,所以很多人苦于找不到真正正确的解释。这样的苦恼即将结束了。有些“诠释”因为不能导出独特而可测的实验结果而被排除在独立理论之外,但根据最近由墨西哥国立自治大学(National Autonomous University of Mexico)的两名物理学家Elias Okon和Daniel Sudarsky发表的一篇论文,这类解释中的一种——波函数的坍缩——原本被认为是完全假想中的概念,却是真实发生的物理过程。这种过程不仅可以通过宇宙微波背景辐射观察到,还能解决一些存在已久的未解之谜,比如黑洞信息悖论(black hole information paradox)。我邀请到了论文的作者把他们的想法“坍缩成”这篇客座文章。--乔治?马瑟(George Musser)
 
对物理量(比如一个粒子的位置)的测量是量子力学标准体系的核心内容。在哥本哈根诠释(the Copenhagen Interpretation)中,测量会让单粒子或系统的波函数坍缩,从一团“概率云”变成一个简单而确定的结果。但测量到底是什么呢?它是否需要一个有意识的测量者?再者,如果测量者必须在被观察的系统之外,那对于整个宇宙的测量,又该怎么说呢?
 
这些问题激励人们对现有的量子力学理论进行修正,或者直接提出其他理论版本,使量子力学本质上不依赖于外部观察者的测量,如玻姆理论(Bohmian mechanics)、交易诠释(transactional interpretation)和多重世界假说(many-worlds scenarios),等等。在我们的工作中,我们集中讨论了所谓的客观坍缩模型(objective collapse models),这种模型对经典的量子力学标准方程作出了一些修正,为波函数的坍缩提供了一种机制。这样的模型有很多种形式,比较著名的有Ghirardi-Rimini-Weber(GRW)理论与Philip Pearle的连续自发局域化(continuous spontaneous localization, CSL)理论。
 
这些模型的一大好处在于,他们可以提供与普通量子力学理论相偏离的预言,并且这些预言是可以通过实验测量验证的。以著名的“薛定谔的猫”为例,物理学家制造出一个模棱两可的态——比如粒子自旋同时既是顺时针又是逆时针。哥本哈根诠释认为,直到观察者来测量这个态之前,系统会一直保持在这个双重态上;而客观坍缩模型认为,系统会自发坍缩,解除双重状态。自发坍缩的同时,系统也会自发失去非局域的波的状态,此时如果物理学家们用一台干涉仪去测量它,应该能够发现系统行为的改变。系统越大,整个叠加态的坍缩速度就越快。
 
几年前,我们团队中的一员(Sudarsky)和同事Alejandro Perez与Hanno Sahlmann提出,宇宙本身就可以作为一个实验室。随后,科学家们很可能探测到了引力波存在的证据,证实了宇宙暴涨理论的预言。暴涨理论认为,星系和星系团都起源于束缚在一定空间内的量子涨落,随着宇宙早期的急速膨胀扩展到天文尺度。然而,这个理论假定一个对称的量子态在没有观察者介入的情况下可以变成一个非常经典的非对称态,这是哥本哈根诠释所不能解释的。的确,在标准的量子过程中,初态的对称性应该保持不变,所以这种初始对称性的破缺,从根本上就是无法解释的。
 
然而,客观坍缩模型为这种转变提出了一种明确的、且与观察者无关的机理。这种模型引入了一种新的非决定论(indeterminism)因素,让对称的量子涨落有了经典性质上的不均匀和各向异性。不同的模型会给出不同特征的宇宙微波背景辐射,例如在CSL理论中,与标准理论预测结果的偏离体现在小尺度上。此外,按照这种模型的推测,宇宙微波背景涨落的分布也有可能出现预料之外的统计特征。
 
今年,我们尝试用客观坍缩模型拓宽对黑洞的理解。斯蒂芬?霍金有个著名的结论:量子理论预言,被吸入黑洞的物质会无定形辐射(formless radiation)的方式重现。然而,这些物质所包含的所有信息都消失了,这是令物理学家们感到矛盾的地方,因为普通的量子力学中信息是守恒的。最近,物理学家们发现,要解决这个矛盾,只有两个看起来都不那么舒服的选择:要么认为在黑洞视界周围有一道辐射“火墙”形成——这违背了广义相对论;要么规定每个落入黑洞的粒子最多只能与两个粒子形成量子纠缠--一个落入奇点,另一个向外逃逸——这违背了量子力学。
 
这个悖论本质上来自于这样一条假设:量子力学会保存所有的信息,哪怕考虑到量子力学与引力的相互作用以后也不例外。从霍金,Roger Penrose和LajosDiósi等科学家,到客观坍缩模型,都对这条假设提出了质疑。客观坍缩模型认为,信息的消失和产生是大自然的本质特征之一,所以解决这个悖论仍有希望。重点在于,在此基础上,如何在细节上加以实现。我们认为这是可以做到的:我们推测在时空弯曲变大时,自发坍缩的速率也随之增大,这样一来在奇点附近的高曲率空间,量子力学就要作出根本上的改变。用具体的话来讲,如果一个宇航员慢慢掉进黑洞,他会发现量子效应逐渐减弱,到最后粒子的行为更接近经典的方式。这样,悖论就解决了。
 
事实上我们认为,客观坍缩模型与黑洞有着更为深远的联系。受John Wheeler的建议,我们发现自发坍缩可以看做是微观尺度上的量子黑洞的产生和湮灭导致的,而在大黑洞周边的时空高度弯曲的区域中,这个过程被放大了。我们的本质思想就是:尽管量子力学在解释我们所见到的现象上有着很高的精确度,但这并不意味着它在不需要任何修正的情况下还能适用于更加极端的情况。
 
我们相信,这些研究对于建立一个令人满意的量子动力学坍缩理论会有一些帮助。而这样的理论反过来也能解决一些物理学基本规律方面最紧迫的难题。或许,理论物理学家们在现代物理学方面遇到如此大的困难,就是因为在研究时忽视了量子理论自身概念上的问题。
 
 
作者简介:乔治?马瑟是《科学美国人》的特约编辑,主要领域为空间科学和基础物理,从粒子到行星,乃至平行宇宙。他写了一本书叫做《完全傻瓜的弦理论入门》(The Complete Idiot's Guide to String Theory)。Musser获得了无数奖项,包括2011年美国物理学会最佳科普作品奖(American Institute of Physics's Science Writing Award)。你可以在推特上关注他@gmusser。(翻译:丁家琦  审校:易逸度)
 
原文链接[科学美国人博客]:
http://blogs.scientificamerican.com/critical-opalescence/2014/06/26/physicists-think-they-can-solve-the-mysteries-of-quantum-mechanics-cosmology-and-black-holes-in-one-go-guest-post/
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