物理学家：“解救”被困黑洞的信息并非不可能

黑洞是宇宙的一个神秘所在，拥有令人惊异的密度和引力。包括光线在内，任何形式的辐射都无法逃脱它们的魔爪。黑洞如何形成，科学家知之甚少，更不用说内部构造。不过，科学家从未放弃努力。根据他们进行的一项新实验，利用量子力学手段“解救”被困黑洞的信息具有可能性。

科学家称获取被困黑洞的信息并非不可能

黑洞堪称“引力怪兽”，它们就像是功率巨大的宇宙版垃圾压实机，将气体和尘埃压缩成一个微小的点。现代物理学研究表明，在被黑洞吞噬后，物质的相关信息将永久性迷失在宇宙中。但一项新实验表明可能存在一种方式，利用量子力学手段获取被困在黑洞的信息。马里兰大联合量子研究所物理学系研究生凯文·兰德斯曼表示：“在量子物理学世界，信息不可能消失。它们可以被隐藏或者混杂在不可分的亚原子粒子纠缠态。”

兰德斯曼和论文合著者指出，他们能够测算信息何时以及如何在一个简单黑洞模型内混杂。换句话说，科学家有望窥探黑洞这种一旦进入，便有去无回的神秘天体。此外，这一发现也有助于科学家研制量子计算机。研究发现刊登在3月6日的《自然》杂志上。

黑洞艺术概念图

黑洞是密度无限大且体积无限小的天体，由巨大的死星发生超新星爆炸后形成。由于惊人的引力拖拽，黑洞能够吸食周围物质。“事件视界”是所谓的不可返回点，一旦穿过事件视界，包括光线在内的任何物质都无法逃脱。

上世纪70年代，著名理论学家斯蒂芬·霍金证明黑洞会随着时间萎缩。根据量子力学定律——阐述微观尺度下的亚原子粒子行为——粒子对会自发出现在黑洞事件视界以外的区域。其中一个粒子随后坠入黑洞，另一个则被往外推并在此过程中“盗取”极少量能量。在相当长时间内，它们能够盗取足够多的能量，导致黑洞蒸发。这个过程被称之为“霍金辐射”。

黑洞吸食伴星物质

拥有无限密度的黑洞心脏内部隐藏着一个谜题。量子力学认为粒子的信息——质量、动量、温度等——永远无法被摧毁。相对论认为穿过黑洞事件视界的粒子会在黑洞核心被无限压缩。这意味着无法重获粒子的任何信息。科学家一直试图破解这个矛盾，但始终以失败告终。理论学家将这种矛盾称之为“黑洞信息悖论”。

新实验中，兰德斯曼和他的同事将目光投向霍金辐射粒子对中向外飞行的粒子，最终取得了令他们欣喜的发现。由于这个粒子与坠入黑洞的伴侣纠缠在一起，它的状态与伴侣的状态具有不可分性。这意味着测算其中一个的特性能够获得另一个粒子的重要细节。

《星际穿越》中的黑洞“卡冈都亚”

加州大学伯克利分校物理学家、研究小组成员诺曼·姚在一份声明中指出：“通过对这些外逃粒子进行大量量子计算，我们可以重获坠入黑洞的粒子信息。”黑洞内粒子的所有信息都通过量子力学方式搅在一起，混杂方式让“解救”这些信息成为不可能。但在这个系统内，相互纠缠的粒子能够潜在地将信息传递给伴侣。

对现实世界的黑洞进行这种操作将面临令人绝望的复杂挑战。任何一家物理学实验室都很难制造出一个黑洞。为此，研究小组制造了一台量子计算机，利用纠缠量子比特（量子计算中使用的基本信息单位）进行计算。随后，他们利用三个镱原子核创建一个简单模型。这些原子核相互纠缠在一起。

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借助另一个外部量子比特，物理学家能够得知这个三粒子系统中的粒子何时混杂，同时能够测算它们如何混杂。加州大学伯克利分校理论物理学家拉斐尔·伯索在接受《生活科学》杂志采访时指出，更为重要的是，他们的计算结果表明这些粒子彼此混杂，而不是与环境中的其它粒子混杂。

伯索并没有参与这项研究。他说：“这是一项了不起的成就。辨别量子系统内发生的活动是一项非常艰难的挑战。”研究结果表明对黑洞的研究正在推动相关实验，以探究量子力学的微妙之处。这有助于研发未来的量子计算机制。

来源：漫步宇宙

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来源:国家空间科学中心