時空的起源:量子力學的「魔法」與黑洞的混沌特性

編譯/高晟鈞

3位來自於RIKEN理化研究所的物理學家所進行的研究表明,一種被他們稱為「魔法」的量子特性,很可能是解釋空間和時間如何出現的關鍵。這是理論物理學家首次將黑洞的混沌性質與量子的「魔法」特性聯繫起來。該研究被發表在Physics Review D

而什麼是黑洞的混沌性質呢?在混沌系統中,一個微小的調整便可以產生一系列的連鎖反應,從而徹底改變最終結果。最著名的例子便是蝴蝶效應了,一隻蝴蝶在墨西哥煽動了一下翅膀,最終氣流發生變化,並在美國引起了龍捲風。

時空的起源:量子力學的「魔法」與黑洞的混沌特性 。示意圖:123RF

在量子水平中,黑洞會表現出類似的混沌水平。宇宙中有大量的輻射粒子,是空間各處發生量子與粒子對不斷地消失與出現的結果當這個過程發生在黑洞邊緣時,一些粒子的逃脫便會產生所謂的霍金輻射。簡單來說,將一個電子扔進黑洞,這個微小的變化,很可能產生如同蝴蝶效應般,改變黑洞所釋放的霍金輻射。

1990年代時,當時的理論物理學家Juan Maldacena將支配時空的引力理論與涉及量子粒子的理論聯繫起來。它設想了一個假設的空間,一個無限大的封閉系統,可以容納黑洞這樣受重力作用的物體,倘若粒子在表面移動,並由量子力學控制。它意識到,這種量子理論,等同於在描述黑洞與時空的引力理論。

「這種關係表明了時空本身並不存在,而是由某種量子性質產生的。」跨領域理論物理學家Kanato Goto說。Goto認為量子糾纏的特性在其中扮演相當重要的角色,邊界上糾纏的粒子越多,體積內的時空就越平滑。但僅僅如此仍不能解釋所有黑洞的特性。

Goto與其同事最終發現了量子特性中,一種他們稱為「魔法」的數學度量。透過計算機模擬量子態,他們發現在混沌系統中,任何狀態都會變得難以模擬,他們將其稱為「魔法」態。這種量子特性與黑洞的混沌本質有著密切的直接聯繫。

資料來源:Phys.org

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