量子计算和全息图可能会告诉我们黑洞里面有什么

作者：阿尔弗雷多·卡皮涅蒂

编译：秦秦

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这幅图看起来像什么？黑洞？

黑洞是我们对物理学理解极限外的物体。在人类视野之外，我们不知道它们内部发生的事情，因为它们巨大的引力不会让任何东西逃逸出去，包括光。这意味着如果我们知道它们的内部属性是数学模型的话，就可以让我们知晓黑洞真正发生了什么。

发表在《PRX量子》(PRX Quantum)杂志上的一篇新论文试图建立必要的数学支架来做到这一点，弥合当前量子力学与广义相对论（我们的主要引力理论）之间的差距。这两者构成了我们当前对物理学的理解的基石，但似乎并没有结合起来，因此物理学家正在寻找传说中的量子引力理论，其中一种关键的方法是通过全息原理。

密歇根大学的 Enrico Rinaldi 在一份声明中说：“在爱因斯坦的广义相对论中，没有粒子一直有时空。而在粒子物理学的标准模型中，没有引力，只有粒子。” “将这两种不同的理论联系起来是物理学中一个长期存在的问题—自上个世纪以来，人们一直在尝试做这件事情。”

许多人熟悉全息图、生命的投影和由光构成的事物，一般的全息思想是，我们三维宇宙的所有信息都可以编码在二维表面上。这一原理支撑了全息二象性的概念，这是一种在引力理论和粒子理论之间建立数学等价性的猜想—引力理论中发生的数学事情也会发生在粒子理论中，反之亦然。

因此，黑洞的三维引力被转化为二维的相互作用，比如转化为一个平面的圆盘上面的粒子。为了找到数学上的联系，研究人员正在使用量子矩阵模型，这是粒子理论的一种表示。

如果全息二象性是正确的，那我们了解粒子的行为方式，就应该先了解引力的行为方式，因此通过找到正确的模型，我们最终可以找到联系引力和量子力学的方法。

但是如果找到合适的模型很容易，那早就完成了。这就是高级计算的用武之地，该团队正在使用深度学习、复杂的统计方法，甚至是量子计算的原理，在所有可能的量子矩阵模型中找到能量基态—能量最少的状态。

“了解基态是什么样子真的很重要，因为这样你就可以从中创造出东西，”Rinaldi说。“所以对于一种材料来说，知道基态就像知道它是导体还是超导体，或者它是强电还是弱电。但是在所有可能的状态中找到这个基态是一项相当艰巨的任务。这就是我们使用这些数值方法的原因。”

这些方法可以提供基态的完整信息，并允许构建至少一个黑洞的完整模型。

Rinaldi 解释说：“因为这些矩阵是一种特殊类型黑洞的可能表现形式，如果我们知道这些矩阵是如何排列的以及它们的属性是什么，例如我们就可以知道黑洞内部的样子，” “黑洞的视界里有什么？它从何而来？回答这些问题将是朝着实现量子引力理论迈出的一步。”

虽然还需要做更多的工作，但这项研究为理论物理学家在从全息二象性的角度研究量子引力时可能想要寻找的东西提供了一个路线图。

作者：阿尔弗雷多·卡皮涅蒂

阿尔弗雷多·卡皮涅蒂是国际图联科学部的一名编写者。他主要研究天文学、物理学和科学。他拥有伦敦帝国学院天体物理学博士学位和量子场与基本力学硕士学位，致力于打击STEM教育中的不平等，是Pride in STEM的主席和创始人，这是英国最大的慈善信托机构。他还是一个狂热的科学传播者，以“theastroholic”的名字制作视频和播客。