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宇宙如何记住信息

“记忆矩阵”或许能解决斯蒂芬·霍金的黑洞悖论。

这是物理学的伟大错过联系之一。1965年,一个粒子理论主义者派生了基本的碰撞的公式......乔治·莫梅尔

一世T是最遗漏的物理连接之一。1965年是一个粒子理论家派生公式用于基本颗粒的碰撞。二十年后,两名着引力理论家,使用完全不同的技术,派生公式用于恒星或黑洞的碰撞。它们是相同的公式。唯一的区别是第一次使用“P.表示动量和第二种P.“。哈佛物理学家安迪斯特塞格林格笑话“一个6岁的人可以看看这两篇论文”并发现相似之处。但显然没有6岁的孩子,所以他们的相似之处被忽视直到Strominger意识到它在2014年。

这些公式的共同之处在于,它们关注的是重力和其他力在大尺度下如何作用。斯特罗明格和他的同事们一直在研究它们如何提供一条新的、不同寻常的途径来统一物理定律。事实证明,力的大规模行为与物理学家传统上关注的小规模行为一样令人惊讶。这一举措也开启了对一个臭名昭著的国家的新一轮攻击悖论关于有关黑洞吞下的物体信息的命运,首先是在20世纪70年代斯蒂芬·霍克鉴定的。“安迪的工作非常重要,最终会对许多物理领域产生很大影响,”康奈尔大学ÉannaFlanagan说。

可怕的对称性:许多物理学家不相信狭义相对论中其他被称为“超平移”的对称性,安迪·斯特罗明格(Andy Strominger,上图)说,“他们一直试图找到某种方法来扼杀它。”

Strominger工作的重力侧恢复了一种困惑发现1962年,引力理论家赫尔曼邦迪,M.G。van der Burg,和A.W.Kenneth Metzner和,分别地,Rainer Sachs。他们试图确定使爱因斯坦特殊的相对论理论如此特殊。该理论指定不同观察者在相对于彼此相对于彼此移动的不同观察者可以不同意对象的长度和事件之间的时间。同时,全面的相对论理论延伸到观察者以不同的速度移动的原则。它指定了如何编织的空间和时间如何,以形成四维空间织物,其围绕大量的引力体弯曲和经过扭曲。教科书说,当您理想地,从行星,明星或其他引力体远方时,普通理论会降低特殊的相对论。在那里,重力消失到虚无,通常强硬的时空连续体应该陷入刚性框架中。由于重力随着距离而减少,行星和恒星彼此几乎独立,并且在我们的太阳系中发生了什么在星系的其余部分内很少。

在比利时的Universitéibredebruxelles的GeoffreyComptère比喻,特别是晶体化的“平板空间”的结构描述。他解释说:例如,如果您对右侧的三个步骤(称为“翻译”)或者在恒定速度移动的列车移动的情况下,它看起来也是如此。

然而,在仔细检查,邦迪和他的同事发现,即使他们归零重力,时空也留下了软盘,而不是刚性平坦。换句话说,即使在没有重力的情况下,也存在重力;残留物始终仍然存在。距离遥远的行星和恒星毕竟不合适。Textbook图片,那么,是错误的,但没有直观的方式来理解为什么,或者在实践中意味着什么。“普通相对论并没有结束与特殊相对性相同的是,即使在非常长的距离也是非常相对的,”Strominger说。

超级转换

在那些距离,剩下的不仅仅是特殊相对性的对称性,而且是一种称为超级转换的无限数量的其他对称。这些是依赖于角度依赖性的翻译,其无限远离引力体。这种对称性的级数,称为BMS组,给出了空的空间巨大的潜在复杂度。简而言之,空间的无限多种方式是空的。SuperTranslations并不容易被视为在右侧的三个步骤中,并且数十年来抵制简单的解释。许多物理学家发现索赔令人困惑,并缩小了超级转化的重要性及其对一般相对性的后果。(它还证明,BMS已经错过了一些良好的,无限的许多称为“叠加态”。)“文学只是用错误的回复,因为没有理解正确的上下文,”Strominger说。“我认为人们并不真正相信它,他们一直试图找到一些杀死它的方法。”

即使在没有重力的地方,也有重力;残留物始终仍然存在。距离遥远的行星和恒星毕竟不合适。

但近年来,Strominger澄清了超级翻译,他的图片可能对我们对真空和黑洞的理解产生深远的影响。他的灵感来自一个看似独立,而且同样令人困惑的粒子物理学的谜语。在20世纪30年代Felix Bloch和Arnold Nordsieck计算如果您碰撞具有零能量的两个光子 - 它们是“软颗粒”,在Lingo中 - 给定结果的概率与产生的颗粒数和其他细节的数量无关。物理学家后来表现出与其他类型的颗粒相同,包括格雷尼,该颗粒,其将作为重力承载的假设粒子。实际上,颗粒在低能量下看起来都相同。

斯特罗明格说,研究人员将这种行为视为量子场论的内在特征,具有数学定理的力量,认为没有必要寻求更深层次的解释。但是,通过将所有零能量粒子的这种奇怪特征与BMS组联系起来,他找到了一种给超翻译一个具体含义的方法:他说,超翻译为时空添加了软粒子。

反过来,这一实现提供了更清晰的图片,这些图片是多么盗重身体的看似空的空间如何能够保持重力的效果残留物。将柔软的颗粒涂成真空,但它不会增加能量,它确实有助于其角动量和其他性质,从而将真空撞到新版本本身。Strominger意识到,如果真空可以假设多种形式,它将保留几乎同种疗法的印记通过它。

宾州州立大学的万有引力理论学家Abhay Ashtekar在20世纪80年代的工作为引力的长期效应的新理解奠定了基础,他称Strominger将空时空物理和粒子物理软定理联系起来是“开创性的”。新泽西州普林斯顿高等研究所的理论家尼玛·阿卡尼-哈米德也赞赏斯特罗明格的方法。“Strominger和他的合著者用对称的语言很好地重新解释了这些经典事实,”他说。“很漂亮。”

但并不是每个人都像斯特罗明格那样迷恋他对真空中对称性的直观描绘。那些专门研究科学家的解释的哲学家们,似乎尤其可疑。德国慕尼黑路德维希马克西米利安大学的Erik Curiel说:“我对大多数给BMS电荷一个有意义的物理解释的尝试深表怀疑。”他怀疑假定的对称性是在分析中使用的理想化的产物,不应该太按字面意思来理解。加州大学欧文分校(University of California, Irvine)的詹姆斯·欧文·韦瑟罗尔(James Owen Weatherall)同意这一观点:“它们是纯粹的数学。(库列尔和韦瑟罗尔都有相关物理学的背景。)

记忆效应

尽管如此,物理学家们正在寻找可观察到的“记忆效应”的证据,以便在实验室中拿起的重力留下。在20世纪70年代,苏维埃物理学家雅科夫·齐尔尔'Dovich和Alexander Polnarev建议引力波不仅会在探测器中引起短暂的振荡,就像LIGO系统的镜面所捕捉到的那样,而且还会留下永久性的偏移。斯特罗明格说:“反射镜会摆动,当波过去后,它们不会回到原来的位置。”

一般相对性的真空可以提供一种存储矩阵,可以在宇宙中保留这些信息,超出黑洞的消亡。

当您认为Comptère作为水晶的时空图片时,这种记忆效应是有道理的。引力波的通过就像晶格中的晶体中的脱位。“这种脱位的效果是,在波过去的情况下,两个观察者最初在休息并分开,将通过有限量移位,”Comptère说。据哥伦比亚大学Yuri Levin称,位移的大小约为振荡幅度的5%,并且可能会看到未来的LIGO更新。其他实验主义者计划寻找类似的记忆效果用于电磁和核动力。

信息悖论

记忆原理甚至可能解决了20世纪70年代抱怨的黑洞信息悖论。在通常的分析中,黑洞是病理上的健忘。他们保留落入的唯一记录是它的质量,旋转和电荷。随着时间的推移,黑洞逐渐脱掉颗粒 - 以霍金辐射的形式完全缩小。他们吞下的内容的细节丢失并推定了被摧毁。悖论出现,因为这种彻底的失忆症不是在物理学中发生的。但是在2016年,与霍金和剑桥理论家佩里合作,Strominger建议普通相对性的真空可以提供内存矩阵这在宇宙中保留了这个信息,超出了黑洞的消亡。黑洞在空间的空区域中形成;蒸发后,该区域再次空。但它是一个不同的空虚。

它原则上是有道理的,但对于一些物理学家来说,信息迄今为止从黑洞逃逸的细节是粗略的。“实际的Hawking-Perry-Strominger Paper不会说超级传递如何获得信息的任何事情,”Samir Mathur.作者:王莹,俄亥俄州州立大学学

无论解决方案最终是否证明,它都认为,理解一般相对性更好地只能帮助物理学家制定无悖论的继承理论。现在他们完全编目了Spacetime的对称,Strominger和其他人可以寻找它可能从更基本的系统中出现的方式。所以,下次看到两种公式看起来几乎是一样的,除了一些奇怪的大写,注意。你也可能会发现一个躲藏在透明的深处。


George Musser是一位科学作家和编辑,两本书的作者,完整的白痴串理论指南一段距离的幽灵动作。他目前是普林斯顿高级学习研究所的董事的访客,N.J.

本文最初出现在社区网站FQXI(基础问题学院)。

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