在實驗室中尋找量子黑洞

在物理學中，我們通過猜測來發現一個新的規律，然后將猜測的結果與實驗結果進行比較。正如理查德·費曼所說：“你的猜測有多美沒有用，你有多聰明也沒什么用……如果與實驗不符，那它就錯了。”

這就是物理和數學的本質區別。數學家也會猜測，其真理的最終裁決者是嚴格的證據。物理學家可以使用甚至發明復雜的數學工具，但他們的目標不同：解釋宇宙的真實面貌。因此，實驗是必不可少的。

當然，實驗驗證可能遠遠落后于理論推測。科學家們花了100年的時間才在地球上探測到引力波，花了50年才發現希格斯玻色子。兩者都需要極大的創造力、技術發展和資金投入。這些實驗觀察不僅證實了理論預測，還教會了我們一些新的東西，同時也為進一步的研究打開了大門。我們知道天體物理源可以產生可探測的引力波，但我們不知道這些源有多普遍，我們有理由相信希格斯玻色子的存在，但不確定其質量。

量子引力的研究是理論領先于實驗的極端情況。我們對原子和亞核粒子尺度上的量子物理學有著相當令人滿意的理解，但沒有可實證的適用于強引力的量子理論。如果沒有這樣的理論，我們就無法理解宇宙大爆炸后的早期宇宙發生了什么，也無法預測在黑洞中的一個不幸的宇航員被壓縮到難以想象的高密度時的確切命運。我們需要實驗來指導我們，但它們卻令人沮喪地難以捉摸。

粒子物理學的歷史提供了一個有益的對照。到20世紀50年代，我們有了一個與實驗相符的弱核力理論。但純粹出于理論上的原因，我們知道它是有缺陷且不完整的；我們甚至可以估計，該理論的預測將在非常小的尺度范圍上——大約10-18米或更小——失效。最終，強大到足以在這些微小尺度上探索物質的加速器導致了新現象的發現——例如W和Z玻色子和希格斯粒子——指向了一個更完整的理論。

有了萬有引力，我們又有了充分的理由相信目前的理論是不完整的，在這里我們也可以估計出新現象出現的距離尺度：大約10-35米。不幸的是，要建造一個能利用現有技術探測這種尺度規模的粒子加速器，其規模將與銀河系相當。顯然，即使在遙遠的將來，這也是遙不可及的。

既然用“蠻力”來研究量子引力是行不通的，我們就必須找到一種更巧妙、更間接的方法來取得進展。事實上，我們確實有各種各樣的在實驗室里探測量子引力的建議，所有這些都需要實驗家的不懈努力。我想討論一種我覺得令人興奮的方法。

為了理解它，讓我們把重點放在黑洞的形成和最終蒸發的量子效應上，這是量子引力研究中的典型現象。起初，在實驗室里進行相關的實驗似乎是不可能的，更不用說其危險性了。但也許有辦法。

量子引力的理論研究已經在同一物理現象的兩種不同表述之間建立了驚人的等價關系。由于這種等價性，黑洞的生命周期可以用一種完全不同的語言來描述，完全不涉及引力。相反，“雙”量子系統是由許多強相互作用粒子組成的。目前研究的一個目標是充實翻譯這些語言的詞典。

這種對同一物理基礎的兩種不同描述的等價性，看起來“僅僅”像是一種數學觀察，但它對實驗的影響是深遠的。事實證明，研究黑洞的非引力描述所需的實驗工具正是物理學家們為了完全不同的原因而開發的工具——解決非常困難的計算問題的量子裝置。這是因為在量子引力的模擬和量子計算中，我們都需要存儲一個由許多粒子組成的復雜系統，并精確控制它們的相互作用。

多年來，我對量子計算和黑洞都非常感興趣，所以對我來說，兩者之間的這種聯系是迷人的和令人滿意的。可以肯定的是，量子計算技術還不成熟，所以我們短期內無法在實驗室模擬真實的黑洞。沒關系，我們將致力于研究簡化模型，這些模型捕捉了量子引力的一些有趣特征。這些都是有益的，隨著量子技術的進步，我們將能夠進行越來越復雜的實驗。

此外，這種二元性是雙向的。量子計算機不僅能教會我們有關量子引力的知識；通過將許多強相互作用粒子的行為與引力現象聯系起來，我們也可以更好地理解這種行為。通常，如果我們在一個強相互作用系統中的某個特定位置留下一些信息，這些信息會迅速傳播，很快就會變得非常難以解讀。但我們知道一些有趣的情況，由于一些不明顯的原因，信息最終會重新聚集，并在相距很遠的另一個地方變得容易解讀。

當這個神秘的過程被翻譯成雙重引力語言時，它會更容易理解。在這個框架中，一個蟲洞連接著兩個遙遠的空間點。印記信息在進入蟲洞一端時消失，然后在從另一端重新出現。物理學家渴望得到這種對復雜現象的直觀解釋，而實驗家和理論家的共同努力，必然會產生更深入的類似見解。

我們有時會擔心，隨著科學的進步，它會不斷地分裂成越來越窄的專業，彼此之間的互動越來越少。但根據我自己的經驗，我看到了一個更強大的反向趨勢：隨著知識的進步，從事不同領域工作的科學家發現，他們有越來越多的東西可以相互學習。在實驗室里探測量子引力的機會是由高能理論物理學家的推測所推動的，但它也大量地借鑒了凝聚態物理學家、原子物理學家和計算機科學家的專業知識。這些令人興奮的深入聯系使我對未來感到樂觀。

資料來源quantamagazine.org