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时空本源是量子纠缠
2017年01月25日 00:00 来源:光明日报 作者:撰文:克拉拉·莫斯科维茨(Cl 字号

内容摘要:2016年7月,斯坦福大学的物理学家帕特里克·海登(Patrick Hayden)在圆周理论物理研究所举办的“It from Qubit”会议中做讲座。

关键词:量子;时空;物理学家;本源;宇宙

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  莎士比亚曾写下这样一句话:“整个世界是一个舞台。”物理学家也倾向于以这种方式思考,他们的舞台就是空间本身。在他们看来,对于空间中容纳的各种力和场的相互作用,空间有时仅仅只是一块背景。空间本身,按照传统的观点来看,并不是由其他什么东西构成的。

  然而,一些科学家开始质疑这一传统观点。空间——或者说广义相对论里的时空——实际上可能是由小块的信息组成的。根据这个想法,这些小块的信息通过彼此间的相互作用,创造出了时空并赋予其各种特性,比如引起引力效应。这个观点如果正确,就不仅能解释时空的起源,还可能帮助物理学家建立起他们追寻多年的量子引力理论。

  科学家希望通过量子计算和理论物理的结合,来研究时空是否是由微小的信息比特通过量子纠缠构建起来的。两大物理学理论是否能统一在一起至关重要,因为目前他们是不相容的。

  1.破解宇宙代码的畅想

  空间是由小块信息组成的这种可能性吸引了数百位物理学家,他们在“it from Qubit”项目的资助下每三个月左右碰面一次,进行讨论。项目名中的“it”指的是时空,“qubit”(量子比特,来自quantum bit)代表量子尺度下的最小可能信息量,类似于计算机中的bit(比特)。“it from Qubit”背后的设想是,宇宙由某种底层代码构筑而成,通过破解这些代码,物理学家最终可以找到一个方法,去理解宇宙中那些大尺度事件的量子本质。

  最近的一次“it from Qubit”(IfQ)会议于2016年7月在加拿大安大略省的圆周理论物理研究所举行。主办方原本预计约有90人注册,但是因为收到了太多的申请,结果最终不得不接收了200人,并在别的大学同时举办6个远程卫星会议。“我认为,就算由信息构成时空不是最有希望解决量子引力问题的途径,至少也是其中之一。”普林斯顿大学的博士后研究员内特·恩格尔哈特说。恩格尔哈特虽然不是“it from Qubit”项目的正式成员,但还是参加了其中不少会议,他说:“这方面的研究刚刚起步。”

  因为这个项目既涉及量子计算,又涉及时空与广义相对论的研究内容,所以它把两组以前没有什么交集的研究人员整合在了一起,其中一组是量子信息科学家,另一组是高能物理与弦理论领域的科学家。大约一年前,支持科学和数学研究的私人机构“西蒙斯基金会”拨款成立了“it from Qubit”合作项目,并资助物理学家在这个领域做研究以及开会讨论。自那以后,物理学家对这一课题的热情日益高涨,接连的会议吸引了越来越多的研究者,其中一些是西蒙斯基金会资助的这个合作项目的正式成员,还有许多人则单纯是对这个课题感兴趣。IfQ项目组的成员、圆周理论物理研究所的博士后研究员吉田红说:“这个项目正在解决一个非常重要但同时又非常困难的问题。合作是必要的,因为这看起来不像是一个人就能解决的问题。”

  这个计划甚至引起了项目外的科学家的注意。没有参与IfQ项目的哥伦比亚大学弦理论专家布莱恩·格林说:“如果理论物理与量子信息理论的结合真如人们预期的那样成功,那么这种结合将极有可能在空间和时间的理解上带来下一次革命。”

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