@ 2016.01.02 , 16:01
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黑洞最大谜团获解:如何从中恢复信息

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美国物理学家认为,他们已经解决了黑洞的最大谜团之一:如何从中恢复信息。

黑洞内部的引力如此之大,以至于连光都无法逃脱;且根据理论,内部的量子粒子的任何数据同样无法逃脱。这令科学家相当头疼,因为这样一来他们便无法预测黑洞的确切演化过程,以及内部究竟发生了什么。此外,量子物理理论表示,没有任何宇宙信息可以彻底消失,那么究竟是怎么回事呢?

加州理工学院的研究人员认为,通过采用一种类似于"量子隐形传态"的策略,我们可以恢复一个量子比特的信息——尽管信息不多,但好歹是个开始。只要我们提前对黑洞进行足够的测量和观察,便应该能够辨认出这个量子比特的状态。他们的论文是基于霍金的黑洞辐射理论,该理论认为黑洞会逐渐蒸发、减小体积。尽管人们最早认为这种辐射仅由热量构成,但科学家现在认为它也包含了黑洞内部的信息。如今,这一新假说认为,我们能够通过事件视界(黑洞边界)另一端的相连粒子,来测量每一个落入黑洞的粒子。

Adrian Cho解释道,想象一个涉及两个粒子的量子隐形传态场景,它们分别是小明和小红。电子的量子态有向上自旋、向下自旋、或两个方向同时进行。小红希望将自己的电子状态转移给小明,但这无法在没有外力的帮助下实现;因为一旦粒子的状态被测量,它就会坍塌、无法被转移。此时,“量子纠缠”便大显身手。小明和小红有一对额外的电子“纠缠”对,它们被锁在了一起(一个必须向上自旋、一个必须向下自旋)。通过将两个非纠缠电子投射在共享的纠缠对上,小明的电子状态便发生了改变,并反映出了小红的电子初始状态。

这些复杂量子物理的最终结果是,通过以特定方式研究一个特定粒子,我们便应该能得到另一个与之相联系的粒子的状态信息。通过捕捉和观察一对粒子纠缠对(一个在里、一个在外),小红便能看到里面粒子的状态转移给了外面。

目前为止,这还只是一个有批评声的假说,但它提供了一个出发点,或许能够帮助研究人员更好地理解黑洞的机制。

或许信息被保存在了霍金辐射残留物的状态里,尽管我们很难将其与热状态区分开来。在适度的特殊环境下,你可以将一个量子比特扔到黑洞里,然后重新得到它的状态及其携带的信息。

本文译自 sciencealert,由译者 蛋花 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 39+1

  1. 3025293

    每个字都认识系列

    [70] XX [2] 回复 [0]
  2. 琪露诺
    @2 years ago
    3025304

    鸡蛋煎到碳化冒着热气的样子

  3. 3025308

    ER = EPR

  4. 3025315

    有理有据令人信服

  5. 3025320

    小明和小红都是男的

    [18] XX [1] 回复 [0]
  6. 3025387

    不就是个量子通讯么

  7. 哈佛教授
    @2 years ago
    3025410

    煎蛋最大谜团获解:如何从错别字中恢复信息

    [14] XX [1] 回复 [0]
  8. 3025420

    能刷石头门么?

  9. 江门梁朝伟
    @2 years ago
    3025427

    看两段已经是我的极限了

  10. 布瑞斯
    @2 years ago
    3025443

    来场信息大爆炸……
    把黑洞一辈子接受的信息全部喷发出来。

  11. 哪尼的莽莽
    @2 years ago
    3025497

    求专业人士回答一个疑问
    如果这种纠缠对可以传递黑洞内的粒子的信息的话,那是不是说明信息可以超光速传递了???
    但我之前看到的专业人士的其他关于量子通信的陈述里都说信息仍旧无法超光速的啊?
    这是怎么回事呢?
    还是说在给定种种条件下,这种量子纠缠对的信息才能超光速传播呢?

  12. 哪尼的莽莽
    @2 years ago
    3025499

    手机发的,写的时候有回车,发上去就没了,专业人士请谅解。

  13. 逗比
    @2 years ago
    3025519

    请允许我犯一回病
    其实吧我觉得这个宇宙的一切其实是精心准备好的解谜游戏。我们,以及其他的文明,就是这场游戏的玩家。而且貌似难度很高,就连时间点都掐的很准,比如说很多文章都说要是我们再不怎么样我们就要灭绝之类的。还有,这场游戏的进度应该是被精心控制的,一些文章和一些视频说天才死的早什么的,算了我编不下去了。
    我也是蛮无聊的

  14. 逗比
    @2 years ago
    3025520

    @Kris:
    求P的值

  15. 饕餮
    @2 years ago
    3025524

    @哪尼的莽莽: 举一个经典的牛顿体系的例子, 虽然这跟量子领域的类比关系已经被贝尔证伪了, 但是大概能给你一个问题才雏形吧.
    有人把一对鞋分别放入两个盒子, 一个寄给我, 一个寄给你. 这样你收到鞋子的时候如果看到里面是左脚的, 你马上就知道我的盒子里面必然是右脚的. 就算我离你几光年远, 信息也并没有超光速传递对吧.

    [12] XX [2] 回复 [0]
  16. 饕餮
    @2 years ago
    3025529

    @哪尼的莽莽: 至于具体的你也不需要去想背后的物理实质, 就算是物理界的人都还没扯清这背后的关系呢. 现在普遍认同的哥本哈根诠释简直是流氓诠释, 不过也正是这种流氓诠释让现代物理没有陷入哲学的无限黑洞. 另外虽然信息这个词在经典领域已经有普遍接受的定义的, 但是在量子领域信息这个词本身都是模糊不清的. 信息是否能够瞬时传递更是无从分析了.

  17. 3025534

    有没有人能讲解一下“信息”到底指什么?

  18. 3025541

    数据不怕磁场么

  19. Spector
    @2 years ago
    3025564

    小明滚了出去,带走了小红的信息

  20. 小P君
    @2 years ago
    3025589

    标题党

  21. yetian
    @2 years ago
    3025596

    #还以为把存有A片的硬盘发射进黑洞就万事大吉了嘞

  22. 3025630

    @zhyp:
    信息 = 一种荷, 场的某些状态. 具体是什么取决于你的角度, 例如从热力学角度出发它就是热力学状态, 力学就是方向速度, 统计力学 or 哲学 等等 自己脑补吧…
    @哪尼的莽莽:
    首先说下超光速(下述”物质”一词需广义理解)
    1.宇宙本质上超光速, 现有理论通过暴胀来解释宇宙诞生(硬要说没有超光速就否定了现有理论)
    2.哈勃律说明当前宇宙物质大尺度下超光速, 无位移但远离趋势超光速(宇宙就是能既超光速又不位移….汗)
    3.波的相速度可超光速, 特定条件下群速度亦可超光速(德布罗意说任何物质都是波, 你个死胸控)
    4.仅在壳物质不超光速, 传递场力的虚粒子与产生真空态的涨落粒子对速度可以为任意值(要多快有多快)
    5.普朗克尺度下物质速度可取任意值, 话说物理量已失效, 当前相关研究基本上无(宇宙:你们都没意义了, 我就是这么任性)
    上边打的东西字面意义不大, 只是从宏观到微观的告诉你超不超光速限制不了宇宙本身, 理论是人为了解释眼前的现象而提出的限制人造物及其本身的东西
    新物理或说万有理论是否能解释任何现象, 那得看它能不能诞生, 如果说它不能诞生那么现在的破裤子我们还得继续穿, 要是诞生了那么在人类消逝/宇宙消逝前是否能验证也是个问题
    说这么多, 少年ST、LQG这些万有理论不来一个研究下吗? 要是你都没兴趣我这还有不少哲学问题你可以看下….

  23. 3025633

    @哪尼的莽莽:
    如果黑洞内的信息可以传递到黑洞外的话,确实等于信息可以超光速传递。
    但是目前普遍接受的理论是认为黑洞获得的信息(熵)存储在黑洞的视界表面(因为对于视界外的参考系视界上的时间是静止的)。所以说就算黑洞“里”的信息释放出来也不是一定要超过光速。
    目前关于黑洞理论的一个很重要的paradox是黑洞熵去向的问题,因为黑洞会因为霍金辐射而慢慢蒸发(变小),所以黑洞的熵会减小,但是如果允许熵凭空消失的话,问题就非常非常大了。所以有一个解决方案是假设霍金辐射可以携带黑洞的信息,这个论文讨论了一种可能的机制。
    所以这个论文的意义不是说理论上可以超光速传递信息或者我们可以怎么玩坏黑洞,而是提供了让目前的理论体系回归自洽的可能性。

  24. 饕餮
    @2 years ago
    3025647

    @Kris: 我不是很清楚弦理论的细节, 但我想问下什么叫熵储存在视界表面. 熵的定义是系统可能态的数量的对数乘以k, 也即是说熵只有在系统中才有意义. 视界是一个2维平面, 不可能作为一个系统. 所以这个表达肯定不是正式的. 你知道这个的正式表达是什么吗?

    所谓”储存在”我不知道是指都储存在还是指部分储存在. 如果是都的话, 意思就是任何不包括视界表面的黑洞内系统熵为0?感觉有些不太正常, 如果是部分储存在的话意思是在黑洞蒸发的时候只有视界附近的一个薄壳系统的熵减小了?因为你说由黑洞内把熵散发出来就证明了信息可以超光速传播, 而你又明显的说了这并没有证明.

  25. 饕餮
    @2 years ago
    3025656

    @emp: 你说的这个”信息”的定义太过笼统, 而且从物理学的角度来说并不准确. 首先广义的信息, 也即是我们日常所说的信息包括了两个部分, 一个是熵, 一个是物理学所说的信息. 通俗的讲, 这两个的差别在于一个是你不知道的, 一个是你知道的. 一个硬币正反两面, 我们掷硬币然后用手盖住, 它的当前态我们不知道, 那它的可能态有2种. 熵就是2的对数(设波兹曼常数为1). 如果我把硬币露出来它的可能态就只剩一种了, 所以熵就变成了0. 这个消失的熵就被我们定义为信息. 你所说的信息就是状态也不能算错, 但是这里信息是一个主观概念, 信息即你所知道的信息. 对于一个背过身没看的人来说这个硬币的熵还是2的对数, 他的信息是0.
    所以准确的说(当然也不是很具体), 相对你这个个体来说的信息是指你所知道的某物在某个时刻所处的状态

  26. 玉山
    @2 years ago
    3025758

    @逗比: 有同感,呵呵

  27. 玉山
    @2 years ago
    3025767

    @zhyp: 信息,针对这一个概念,目前科学界的解释可不多。但是我个人有个小观点,也是一种假设。信息是一种隐性结构(灵质结构),跟物质界的物质截然不同,但是有着能量弧的关联。
    玉山的假设,是这样的。物质+能量(弧)=灵质-能量(弧),条件1,总能量弧守恒;条件2,物质结构变化必然影响灵质结构变化,通过能量弧的变化。
    所以,当思考进行时,电子携带的能量不断的在原子间传输,就造成了灵质结构的组成和分解,信息就逐渐被勾勒出来。
    以上纯属假设思考,仅供大家参考、娱乐。

  28. 玉山
    @2 years ago
    3025773

    忘了说了,玉山假设里面,还有条件3,能量的传递可以超光速;条件4,灵质的信息变量的相速度,可以超光速(任意速度);条件5,物质对称拟构(对称性模拟构建,或称镜像),可以超光速。

    灵镜相位仪就是根据这个理论造出来的……我好像说了什么……反正仅供娱乐,哈哈。

  29. forvord
    @2 years ago
    3025785

    3维世界里光速最快,4维就跳出了

  30. 我来迟了
    @2 years ago
    3025813

    题图好老哦,是坟图

  31. 哪尼的莽莽
    @2 years ago
    3026016

    今天才回来看。
    首先感谢各位回答我问题的人,但貌似说法不一,我也水平不够有好多弄不懂。_(:з」∠)_
    总之还是谢谢了。

  32. 哪尼的莽莽
    @2 years ago
    3026033

    @饕餮: 想了半天,还有一个好奇的问题想问。就是纠缠对可以改变其中一个的状态而不破坏纠缠吗?这样的吗就相当于把其中一只鞋掉个头,另一只鞋也会跟着调转方向吗?如果这个可行,是不是也没有传递信息呢?
    我纯粹是一个物理学票友,有脑残言论的话请见谅_(:з」∠)_

  33. kdjfkasdklfsdf
    @2 years ago
    3026192

    量子理论就是一通可以暂时用的连篇鬼话

  34. 真能扯
    @2 years ago
    3026346

    黑洞都没被证实,还扯黑洞得信息

  35. 3026385

    @饕餮:
    首先从量子信息论的角度也是文章所在的角度,定义了信息就是熵,因为对于物理系统来如果两个态的区别你理论上能够知道的就都是信息,你有没有去看信息都在那里。
    黑洞的熵是不是传统意义上的熵还没有定论,黑洞熵的值怎么来的从很大程度上都是为了让它符合热力学定律而作的假设。因为黑洞每吞噬一部分质量它的视界面积就会增加,被黑洞吞噬的物质的熵(非线性地)正比与物质的能量(质量),因此可以认为黑洞的视界面积和熵有关的,可以参看Bekenstein-Hawking熵的说明:http://www.scholarpedia.org/article/Bekenstein-Hawking_entropy
    黑洞的熵S=kA/(4Lp^2), k是一个常数,A是视界表面积,Lp是Plank常数。
    黑洞内部的熵是多少? 至少对于视界外的观测者来说是0(因为GR禁止超越光速), 有种理论干脆就认为黑洞视界内部什么都没有(firewall),因为既然黑洞的熵既然都在视界面上,那干脆就认为信息根本就过不去视界。。。
    但是一个二维的面怎么来存储熵的,或者说黑洞的熵,黑洞的热动力学细节是怎样的? 就属于目前理论物理研究的前沿了。弦理论认为黑洞的熵是视界面上振动的弦, 共形场论(AdS/CFT)也包含有讨论黑洞和黑洞外的物质纠缠熵理论。
    就这篇论文来说,说明黑洞的熵存在于黑洞和洞外物质纠缠的“通道“里也是合理的。

  36. 3026391

    @真能扯: 黑洞有没有被证实和作者的目的没有关系。所有这些假想实验只是为了讨论目前现有的理论体系有没有自相矛盾的地方。

  37. 饕餮
    @2 years ago
    3026420

    @Kris: 那些公式我到是不怎么关心, 反正也搞不清楚. 我觉得你的意思是说现在学界认为整个黑洞去除视界以后的开空间系统的熵为0对吧. 然后原因是黑洞内外已经失去了因果联系, 所以可以认为黑洞中只有”无”这一种状态对吧, 因而里面的熵就是0了. 所以我是不是可以这样理解, 黑洞构成了一个永远无法打开的黑盒, 然后它的边界是唯一与外界有因果关系的地方. 因而我们可以通过于视界交互来探测整个黑洞的信息?

  38. 饕餮
    @2 years ago
    3026424

    @哪尼的莽莽: 我记得果壳上有一整个系列介绍了量子纠缠, 你可以去查查, 讲的比较通俗详细. 你说的这种情况就是决定论的了, 说明你的理解还处于牛顿体系思维下. 你要明白我们说改变某个物质的时候我们说的是改变它的量子态. 在纠缠状态下我们当然可以改变它的量子态进而影响另一个物体. 然而这些改变的都是量子态, 而量子态只有在崩塌之后才会出现我们熟悉的牛顿体系的”态”. 你说的信息传递的问题在于, 比如我可以构造2个电子组成的纠缠量子态. 把它们分别寄给两个人, 其中一个人当然可以随意控制这个量子态, 但是他是不知道自己观察之后这个电子会上旋还是下旋. 要传递一个信息你必须要规定对方收到了什么信息. 我可以让这个量子态变成两个电子自旋态必定相同或相反, 但是对方收到什么取决于我这边的电子自旋态. 而我们永远不能控制我们自己电子被观察后会坍塌成什么态, 因而我们也无从传递任何信息, 除非我们观察之后告诉对方我的观察结果, 然而这就失去了量子通信的意义. 另外, 量子态一旦坍塌, 两个物质就不再纠缠, 也就是说我一旦观察了我的电子, 就再也不能影响对面的电子了.

  39. 3027018

    @饕餮: 是的这是一种理解,虽然这也有问题(你可以搜索一下“火墙悖论”)。
    我比较接受的一种图景是对于黑洞外的观测者,黑洞内的熵等于0,但是对于落入黑洞视界的观测者又不为0.
    共形场论可以从数学上证明低维的场论可以和高维的引力理论等价,所以对于黑洞内的引力事件理论上可以等价为投射到视界的量子事件(只听过一两个讲座,具体细节不了解。)。也就是说对于黑洞外的观测者,视界内部的熵等价于视界上的熵(你可以搜索一下量子全息信息理论)。
    然而我觉得对于黑洞特别是它的熵我们知道得太少,理论物理现在主要在数学上去讨论它尚不能完全自洽,真正的物理图景怎样大家都还是在猜测了。不过最近几年的进展看起来还不错的。

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