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让黑洞把吸进去的信息再吐出来
来源 : 科学之家   发布时间 : 2016-01-20 17:43

图片说明:艺术家们对一架高速喷气式飞机逃离超大黑洞的印象。 图片来源:livescience


黑洞是一种密度极大、体积极小的天体,例如坍缩星。大多数人都认为没有东西可以逃离黑洞,甚至一个原子都很难从黑洞中逃脱,因为巨大的引力场可以阻止光和其他物质逃逸。虽然如此,但物理学家却认为宇宙并不会破坏信息,并且,大多数物理学家还相信物理学定律都是可以双向推理的。这就意味着,原则上来讲,被吸入黑洞的信息是可以恢复的。

20世纪70年代,物理学家史蒂芬•霍金就预测了从黑洞中恢复信息的工作原理。因为量子粒子就像波浪一样运动,它有可能运动到任何位置,包括黑洞的内部和外部。因此,一些次原子粒子(subatomic particle,指比原子还小的粒子)通过量子隧穿(quantum tunneling,微观粒子能够穿过它们本来无法通过的"墙壁"的现象)逃出黑洞也是可能的,只是可能性不大而已。在量子隧穿的情况下,量子辐射从黑洞边缘逸出,这个过程被称为"霍金辐射"(Hawking radiation)。事实上,虽然大多数科学家相信量子辐射从黑洞边缘逸出是可能的,但这种辐射极其微弱,以至于人类从来就没检测到过。

最近,一种新的算法证明了有些信息可以从黑洞中恢复。研究人员发现,次原子粒子的量子隐形传态(Quantum teleportation)可用于恢复黑洞中的信息。

经典信息和量子信息

科学家们早已知道,从黑洞中可以恢复经典信息。比如,如果有人将粒子丢在黑洞中,对丢进前后黑洞的质量的测量可用来计算丢失粒子的质量。

但如果信息是以量子比特为单位,情况就变得复杂了,因为量子力学(quantum mechanics)有其独特的运行原理。与经典比特的状态——0或1不同,从黑洞中可提取到的量子信息是所有潜在状态的态叠加(superposition)。而一个量子比特可以同时存在于多个纠缠态(entangled state)中,但是对微小粒子状态的测量会使得量子比特选择某个特定的状态,这会使它丢失携带的其他信息。

于是研究人员们尝试去推导被丢进黑洞中的粒子的某一单一量子信息----自旋(spin)或是角动量(angular momentum,在经典量子论中,黑洞可以有一个角动量,但事实上,这个角动量可被量子力学用来描述多种可能性的叠加)的方向。

数据传送

科学家们相信,原则上来说,证明可以从黑洞中恢复一些量子信息是可行的。因此,为了恢复黑洞中的信息,研究人员采取了一种新的算法,即运用黑洞或霍金辐射中的量子隐形传态。当有人把粒子丢进黑洞中时,霍金辐射将随之产生两个新的幽灵粒子,一个被黑洞消耗,而另一个则逃逸了。因此,通过观察粒子从霍金辐射中逃逸的状态,物理学家们能从理论上推导出入射粒子的有关信息。

但如果他们直接测量从霍金辐射中逃逸的粒子的自旋态,就会迫使其选择一个自旋态,从而失去自身携带的其他量子信息。因此,这种新的算法间接测量了黑洞的自旋、入射粒子和霍金辐射。有了逃逸粒子的信息,研究人员就能推导出粒子最初的自旋态。他们采取了一种简捷的方法,即不测量所有信息,而只测量一部分信息,研究人员也只需要知道角动量方向是否有变化,而不需要知道向哪个方向发生变化。从测量结果中,研究人员可以反推出最初落入其中的量子比特的角动量的自旋方向,这就从理论上展示了如何从黑洞中恢复信息。

实际应用

研究人员认为,这种从黑洞中恢复信息的新方法在实际中的应用是有限的。有科学家做出了如下描述:"你无法意外地把一个量子比特丢进黑洞中,然后‘哎呀’一声后再试图把它恢复,你必须计划好如何把它投进去。"另一方面,这种方法目前所能恢复的信息量还很小,只有一个量子比特(quantum bit, or qubit)的信息,即使算法再进步,研究人员也不能恢复更多的信息。更重要的是,恢复这一量子比特的信息可能意味着放弃从黑洞中恢复其他量子信息。

除此之外,物理学家对能从黑洞中恢复多少信息也没有达成共识。研究人员说:"也许黑洞中信息逃逸的方式与你在电脑上删除文件的方式相同。当你删除一个文件时,从技术上来说,信息仍然存在,只是变成乱码了。但是目前如果你想在电脑上恢复已经删除的文件,其恢复量是有限的。同样对于黑洞中逃逸的信息来说,其恢复量也是有限的。"

另一个重要的原因是,在任何情况下,离我们最近的黑洞仍然太远了,因此科学家们不能去测试这种算法的可行性。但是原则上,科学家们可以使用超冷状态下粒子的凝聚(即波色-爱因斯坦凝聚)在实验室中模拟小型黑洞。在模拟小型黑洞的实验中,科学家们会使用电压得到一个类似于黑洞的、不透水的鸿沟。这样的模拟系统可以用来测试是否能从黑洞中恢复信息。

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