掉入黑洞的事件视界里的物质,可能被捞回来么? | 目的地Destination

掉入黑洞的事件视界里的物质,可能被捞回来么?

题主这个问题在经典引力下我想可以通过潮汐力来理解,已有的答案已经说过了。而关于落入黑洞的粒子(或许用量子比特更合适)是否能够重新出来,这是一个非常有意思的问题。这里想介绍一下最近前沿的一些很有趣的idea。

我们都知道,经典的广义相对论中,黑洞的事件视界是通过时空的因果结构来定义的。落入黑洞的物质无法出来。当然,经典的RN黑洞的因果结构奇点是类时的,一个类时测地线不会撞到奇点上,有可能进入视界后还会出来。不过这个时空图有一些问题,通常认为考虑了一些量子修正之后,这个时空的特定区域(柯西视界)会成为新的曲率奇点所在地。因此经典下认为落入黑洞的粒子不会出来。

然而我们的世界是遵从量子力学的原理的,因此引力终将要和量子力学来结合。Hawking最经典的工作莫过于在固定的时空背景下,考虑弯曲时空量子场论的效应。霍金发现黑洞会逐渐通过辐射光子和引力子的方式蒸发掉自己的质量。同时伴随着霍金辐射,进入黑洞的那部分量子比特转化为随机的辐射,量子比特最终完全消失,违背了量子力学原理。

而现代通常的观点是(全息原理等支持),信息没有消失,原因是霍金辐射并非黑体谱,会通过量子纠缠的方式将信息携带出来。而一个外部的量子计算机,只要有足够的时间和计算能力,就可以重新的构造出原本需要的信息。

这方面一个有趣的模型,是Hayden&&Preskill在2007年提出的量子电路的模型。示意图如下

这个图表示的是一个辐射掉自己一半质量的黑洞和它辐射出去的东西形成了一个最大纠缠态,这时我们将一个量子比特Alice扔进黑洞中,经过一段演化,又辐射出去一部分粒子R,Hayden&Preskill发现只要辐射的粒子R比M稍稍多了一点,掉入黑洞的Alice的信息就会重新出现在ER的一个子系统中,而Bob的破译器是可以通过一些操作来将这个信息提取出来的。

量子力学中最为神秘的现象莫过于量子纠缠,而广义相对论中的虫洞解也是非常奇怪的东西,虫洞因为时间机器等科幻概念,更是披上了神秘的外衣。有趣的是,通过研究人们发现量子纠缠和虫洞有着密切的关系,确切的说,一个相互纠缠的量子系统,它们之间可以有着虫洞的结构相连的。通常,只要满足一定的能量条件,虫洞都是不能穿越的。而近期Gao-Jefferies-Wall的文章[1608.05687] Traversable Wormholes via a Double Trace Deformation,构造了一种虫洞可穿越的可能。简单的说,它们引入了一种特定的相互作用,这个相互作用是非局域的,涉及纠缠系统两侧的算符的耦合。这个相互作用会提供一个具有局域的负能量的冲击波,冲击波可以改变时空结构,让一个粒子可以类时的从虫洞的一侧走到另一侧。

上图即整个物理过程。

上面我们提到的Hayden&Preskill的量子电路可以类似的理解,相互纠缠的黑洞和辐射部分中间是一个虫洞的结构相连的。而辐射出来的额外的R部分以及Bob后续的解码操作,则融合了黑洞和纠缠两部分中的自由度,对应于那个Gao-Jefferies-Wall引入的那个非局域的操作。因此Bob解码出来的那个量子比特不是别的,正是掉入黑洞的Alice的量子比特通过黑洞内部和外部相连的虫洞跑出来的量子比特。

这项研究是Maldacena-Stanford-Yang 去年发表的文章arxiv.org/abs/1704.0533的一个主要结论。如果这项工作是正确的,那么暗示着掉入黑洞中的物质,完全有可能通过内部的虫洞跑出来。当然这项工作还有不少理论意义,这里就不叙述了。

当然熟悉量子信息的话,应该会知道量子隐形传态这件事情。通过经典信道的传输,一个EPR对可以用来传递量子态。通常一个自然的问题是,量子态是如何传过去的,通过了什么区域?这件事非常奇怪。通常,我们会说量子力学本身具有神秘的非局域性质。这个问题没有意义。然而,上文所叙述的picture完全等效于一个量子隐形传态的过程。如果我们期望在单粒子或者少粒子体系下量子引力依然具有效应的话,那么也许我们可以说量子态是通过虫洞结构实现的传输。

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:安宇森

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