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你若不看它,它便不存在:科學家發現黑洞的奇異量子特性

网瘾少女 2022/11/17

近日,昆士蘭大學的一項研究認為,宇宙中最詭異的天體——黑洞,可能擁有一種不可思議的特性——量子疊加態。這讓它們聽起來比想象中更詭異。

黑洞的量子特性。NightCafe Creator AI

為了推動「量子引力論」的發展,研究人員借助計算機模型,用數學框架模擬了一個處于黑洞邊界上的量子粒子,意圖在這個粒子和黑洞之間找到某種關聯。但結果發現這個黑洞所在的時空竟然展現出了某種類似疊加態的特性。

所謂疊加態(superposition),指的是量子力學中微觀粒子能夠同時擁有多種不同狀態的奇異特性。

處于疊加態的粒子只有與外部世界發生相互作用,如被測量,或被觀察后才會退出疊加態。退出疊加態的粒子會隨機坍縮成多種可能狀態中的一種。

20世紀早期,諾貝爾物理學獎得主、著名物理學家埃德溫·薛定諤(Edwin Schrödinger)首次用一個思想實驗,演示了什麼是疊加態。在這個思想實驗中,一只貓和一杯毒藥被同時關在一個盒子里。如果我們假定這只貓有量子特性,那麼在打開盒子前它同時擁有兩種狀態:既生又4;而當觀察者打開盒子后,貓會退出疊加態,隨機坍縮成一種確定的狀態:或生或4。

這只不幸的貓就是著名的「薛定諤的貓」。現在,疊加態實際上已經在許多領域得到了應用。比如量子計算機的研發原理之一就是疊加態。它能讓量子計算機的數據存儲和處理能力得到爆發式增長。

薛定諤的實驗同時也指出了這樣一個現象:雖然現實中貓的狀態與觀察者的行為并無直接關聯;但在微觀世界里,粒子狀態的確定卻是由觀測行為所帶來。

從一個極端到另一個極端。作為宇宙中最不可思議的極端天體,黑洞與微觀粒子似乎有著許多相似性。除了質量、自旋、電荷等基本要素,我們在黑洞身上看不到一般巨觀物體的特征(噴流、吸積盤等現象實際上發生在黑洞外部)。

物理學家雅各布·貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)曾經預言,黑洞可以用質量來定義,質量可以用特定的比例來描述,而黑洞也可以同時擁有多個質量。

現在計算機模擬結果證明其所言不虛。在沒有預先植入相關假設的情況下,計算機自我得出了黑洞同時擁有「大質量」和「非大質量」兩種狀態的結論。

現實中的黑洞想必都與外界有過相互作用,因而它們都處于某一確定的狀態——假如它們真的是「宏量子」的話。而這種通過巨觀宇宙展現出來的奇異量子特性,也表明時空的終極奧秘,可能比人們之前以為的還要不可思議。

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