黑洞信息丢失之谜

量子力学要求封闭系统必须遵循幺正演化,即封闭系统演化信息守恒。黑洞信息丢失问题与量子力学幺正性产生了冲突,暗示了量子理论可能无法正确地描述引力。文章介绍了黑洞信息丢失问题的来源,以及可能的解决方法。     

黑洞热力学

黑洞物理学是一门新兴学科.1970年以前,黑洞物理学主要研究黑洞的运动学和动力学.1970年起,霍金(S.W.Hawking)、贝肯斯坦(J.D.Bekenstein)等在黑洞物理学中引进热力学,不久,霍金等又在黑洞物理学中引进量子力学和量子场论.这些年来,由于许多人的大量而出色的工作,形成了黑洞热力学和黑洞量子力学这两个分支.黑洞热力学和黑洞量子力学是现代黑洞物理学的主要组成部分,它们的历史还不到十年.本文试图对黑洞热力学作一概要的介绍.     

关联与黑洞信息丢失问题

霍金计算发现黑洞会发出热辐射.由于热辐射之间不存在关联,因此辐射粒子无法将信息携带出黑洞,伴随着霍金辐射,黑洞内部的物质信息逐渐丢失.量子力学幺正性要求信息守恒,黑洞信息丢失与量子力学幺正性存在明确的冲突,此即黑洞信息丢失之谜.霍金辐射之间是否存在关联是解决黑洞信息丢失问题的关键.霍金最初的计算中没有考虑辐射粒子的反冲,得到的辐射谱为纯热谱.后来, Parikh和Wilczek的计算表明,如果计入辐射粒子的反冲,则辐射谱可能会轻微地偏离热谱.本文首先介绍了Parikh和Wilczek使用包含辐射粒子反冲的量子隧穿方法得到的非热谱.其次,介绍了张保成等人在非热谱基础上证明黑洞辐射粒子之间存在关联,并且黑洞辐射过程信息守恒的工作.最后,介绍了黑洞辐射之间如何产生关联的一种可能的物理机制,黑洞辐射粒子之间的引力关联可以携带信息,使得黑洞辐射过程中信息守恒.     

物理学家创造出了一个非常小的黑洞

<正>科学家们用量子计算机探索了脱离黑洞的终极逃生路线。2022年，一组研究人员宣布，他们进行了一项涉及现代物理学中大部分神秘理论的实验，在量子计算机中模拟出了一对黑洞，并通过一段被称为虫洞的时空捷径在它们之间传送了一条信息。物理学家们称，这项成就是帮助理解引力和量子力学之间关系的又一个小小进展——引力塑造了宇宙，而量子力学主宰着粒子的亚原子领域。     

2+1维荷电蒸发黑洞的Hawking辐射

起因于Hawking辐射的黑洞量子力学不稳定性的发现是近20年来量子场论中的最重要进展之一.这个重要的理论发现,不仅解决了黑洞热力学中存在的矛盾,而且深入地揭示了量子力学、热力学和引力论之间的内在联系.由于蒸发和吸积等物理过程,宇宙中黑洞必然是随时间变化的.因此深入研究这类黑洞的Hawking辐射,显然对于人们完整认识黑洞这种暗天体是有着重要意义的低维引力理论研究是理论物理中近几年来的一个热门课题,它对于量子引力理论研究有着重要的意义,相应的低维黑洞研究也日趋活跃.在文献[9,10]中分别对1+1维和2+1     

黑洞信息佯谬

与经典物理相比而言，量子物理的最大特点在于它是非决定论的。为此，尽管爱因斯坦为量子论的创建作出了重大贡献，他却一直不喜欢量子力学，尤其反对量子力学的哥本哈根诠释，并用这样一句话来表达自己的反感：“上帝不掷骰子。”霍金(S．Hawking)是一个将量子力学应用到黑洞理论中的始作俑者。霍金在     

黑洞附近的粒子生成

黑洞是从理论上推断其存在的一种奇异天体,其引力强大到任何物质包括光在内只要进入其范围就不能再脱离。黑洞不会发光,不可能直接观察到,但从理论上推断在其附近发生的量子力学过程,将引起粒子的自发生成,则可由观测来验证。黑洞的研究不仅是宇宙演化上的问题,也是对有关理论物理问题的探究与检验。下面介绍的两篇文章,一篇是从理论上探究黑洞,另一篇是从观察到的现象来推测是否黑洞。     

黑洞信息佯谬：落入黑洞的信息丢失了吗？

黑洞信息佯谬自提出至今已困扰理论物理学家近50年。揭秘黑洞信息佯谬是研究量子引力理论的一个重要途径。最近,物理学家在半经典引力理论下给出了黑洞蒸发过程的佩奇曲线,这表明在黑洞蒸发过程中确实释放了信息,从而证实无任何的信息丢失,这也宣告着黑洞信息问题的解决。文章以时间顺序来介绍黑洞信息佯谬研究的历史和现状。     

封面说明

正霍金预言黑洞能像普通黑体一样发出热辐射,引发了黑洞信息丢失之谜.黑洞信息丢失之谜反映了引力理论和量子理论之间的潜在冲突,引起了物理学家们的广泛关注.霍金辐射之间是否存在关联是解决黑洞信息丢失问题的关键.在量子隧穿图像下,计入辐射粒子反冲,可证明辐射谱为非热谱.而非热谱表明黑洞辐射粒子之间存在关联,使得黑洞辐射过程信息守恒.为了进一步研究黑洞辐射之间关联的原因,何东山和蔡庆宇给出了     

关于霍金的记忆

正史蒂芬·霍金的昔日同事们撰文回忆这位重要的宇宙学家,他的影响力早已超越了物理学界。霍金于1942年1月8日出生于英国牛津,先后在牛津大学学习物理学、在剑桥大学学习天体物理学。霍金的很多研究工作是研究广义相对论和量子力学之间的相互影响。1974年,他推导出他最著名的研究成果之一:黑洞的事件视界附近的量子效应将会导致黑洞发出黑体辐射。他1988年出版的科普著作《时间简史》,至今仍是向公众普及现代宇宙学最为成功的尝试之     

心是全息图

心的科学并不是大脑的特权。来自物理学、数学的探讨引起了人们的注意。根据这些探讨,有些科学家认为关于心的研究似乎并不一定非要集中在脑的研究上。 首先是曾因发现了神经元的突触电位而获诺贝尔奖的一位大脑生理学家,在1989年发表的一篇论文中,阐述了“是量子力学的概率在控制着脑中的分子生物学程序”的论点,指出了量子力学的重要性,从而在科学界引起了一场争论。 接着是一位因研究太空黑洞而著名的英国数学家写了一本名为     

落入黑洞后,宇航员会怎么死去

<正>近几年来,自杀现象有越发严重之势。不过,我们今天要谈的"自杀"却是一种试验,一种基于物理和数学形式的试验,或者说是宇宙中的黑洞试验。它试图解决一个悖论——黑洞火墙是否存在?这涉及到一个根本矛盾:该放弃的,是广义相对论,还是量子力学?2012年3月,美国科维理研究所的弦论专家约瑟夫·波尔钦斯基(Joseph Polchinski)教授开始思考这样一个"自杀"问题:当宇航员落入黑洞后会发生什么。答案很显然,他一定会死。但是,他会以一种怎样的方式死亡?不同的理论给出了两个截然不同的描述。     

隧道效应影响下的量子黑洞面积谱

在Shahar Hod对黑洞量子化面积谱研究的启发下, 考虑量子化黑洞在辐射过程中的隧道效应, 利用量子统计的方法计算出黑洞熵, 再结合黑洞熵与面积的关系, 重新求得了史瓦西黑洞背景下量子化黑洞面积谱的表达式. 该表达式与Hod基于玻尔对应原理提出的涉及到渐近准正则模的方法求得的结果比较接近.     

非线性量子力学叠加原理的发展及其检验

在非线性量子力学中由于方程和算符是非线性的,所以线性叠加原理应该发展。基于此,我们讨论非线性效应和线性叠加原理偏离的检验。     

动态

物理学利用超导传输线谐振腔可获得量子点团簇态基于量子力学的特性,量子信息有望以崭新的原理和方法,开拓出后摩尔时代的新一代信息技术,成为国际上竞争激烈的研究领域.     

霍金提出新的黑洞理论

牛津大学著名物理学家史蒂芬·霍金2004年7月21日当众认输,推翻他1975年赖以成名的黑洞理论,承认黑洞并非可怕的物质“终结者”,由崩溃的星球形成的黑洞其实不会吞噬和消灭一切物质,而会保留被吞噬物体的细微痕迹,最后以残破的形式“吐”出来。霍金逢“赌”必输1997年,霍金同美国物理学家约翰·普雷斯基尔打赌时坚持自己的“黑洞悖论”,黑洞会摧毁它们吞噬的一切信息,后者则认为黑洞不可能使其内部物质的信息丧失,赌注则是一本《棒球百科全书》。霍金于2004年7月21日当众表示输掉了这场科学史上著名的赌赛,并送给普雷斯基尔一套棒球百科全书…     

黑洞大合照

正这张由天文学家花费数年时间对射电望远镜所采集信息进行处理而得到的图片,记录的是银河系中心区域的黑洞分布。图中有2.5万个白点,其中每一个都代表一个活跃的超质量黑洞。黑洞虽然不释放可见光,但会发射超低频无线电,天文学家可以借助无线电信号探测到黑洞。通过超低频无线电探测黑洞的最大挑战,是必须摆脱大气电离层对无线电信号的干扰。为此,科学家利用超级计算机,每隔四秒对接收到的无线电信号进行一次电离层干扰校正。     

现代宇宙学的创世观

在宇宙的普朗克时期,人们必须对引力相互作用进行量子力学处理,这是一项激动人心和极有潜力的物理研究、时间并不是从奇点开始的,宇宙也不创生于虚无,而是量子茸毛。量子力学的哥本哈根解释是非决定性的。量子宇宙学中有意义的几率应是由极值原理选择的几乎接近于1或者零的几率。从量子力学到量子宇宙学的发展,证实了钱学森的观点:在某些局限性下出现的非决定性问题,在更高层次中又会变成为决定性的。     

量子概念的历史和前沿

正量子力学是当代文明的一个重要基础。现在很难找到与量子无关的新技术。20世纪90年代,诺贝尔奖得主莱德曼就指出,量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。近年来,基于量子叠加的量子信息和量子计算得到很大发展。     

海森伯：执着与顽固

沃尔纳·海森伯是20世纪最伟大的物理学家之一,他也是属于20世纪最有争议的人物之一。在刚刚20岁时,他就已经是少数几个很有才华的青年人之一,他们创立了量子力学,即原子的基础物理学;他也成了核物理学和基本粒子研究的领袖人物之一。他最著名的成就是测不准原理,那是关于量子力学之意义和应用的所谓哥本哈根诠释的一个部分。