在实验室中发现量子黑洞

在物理学中，我们通过猜测，然后将猜测的结果与实验结果进行比较，发现了一条新的定律。正如经常被引用的理查德·费曼(Richard Feynman)所说：“你的猜测有多美没有任何区别。你有多聪明没有任何区别，…。如果它与实验不一致，那就错了。“。

这就是区分物理和数学的本质。数学家也会猜测，他们对真理的最终裁决者是严格的证据。物理学家可能会使用甚至发明复杂的数学工具，但他们的目标不同：解释宇宙的本来面目。为此，实验是必不可少的。

当然，实验验证可能远远落后于我们的理论推测。科学家们花了100年的时间探测到地球上的引力波，花了50年的时间才发现了希格斯玻色子。两者都需要极大的独创性、技术开发和货币投资。这些实验观察不仅证实了理论预测，也教会了我们一些新的东西，同时也为进一步的研究打开了大门。我们预计天体物理源可以产生可探测到的引力波，但我们不知道这些源有多常见，我们有理由相信希格斯玻色子的存在，但不确定它的质量。

量子引力的研究是理论走到实验前面的一个极端情况。我们对原子和亚核粒子尺度上的量子物理有了相当满意的理解，但还没有经过实验验证的适用于非常强引力的量子理论。如果没有这样的理论，我们就无法理解大爆炸后早期宇宙中发生了什么，也无法预测一个不幸的宇航员在黑洞内被压缩到难以想象的高密度的确切命运。我们需要实验来指导我们，但令人沮丧的是，它们难以捉摸。

粒子物理学的历史提供了一个具有启发性的类比。到了20世纪50年代，我们已经有了一个与实验相一致的弱核力理论。但纯粹出于理论上的原因，我们知道它是有缺陷和不完整的；我们甚至可以估计，该理论的预测在非常短的距离尺度上会失败，大约10−18米或更短。最终，强大到足以在这些微小尺度上探索物质的加速器导致了新现象的发现，如W玻色子和Z玻色子以及希格斯粒子，这指向了一个更完整的理论。

有了引力，我们又有很好的理由相信目前的理论是不完整的，在这里我们也可以估计新现象必须出现的距离尺度：大约10−35米。不幸的是，利用现有技术建造一台能够探测这种尺度的粒子加速器需要一台与银河系差不多大小的机器。显然，即使在遥远的未来，这也是遥不可及的。

既然用“蛮力”研究量子引力是行不通的，我们必须找到一种更巧妙、更不直接的方法来取得进展。事实上，我们确实有各种关于在实验室中探测量子引力的建议，所有这些都需要实验者做出英勇的-但不一定是徒劳的-努力。我想讨论一种我觉得令人兴奋的特殊方法。

为了理解它，让我们关注由于量子效应导致的黑洞的形成和最终的蒸发，这是量子引力中研究的典型现象。起初，在实验室进行相关实验似乎是不可能的，更不用说危险了。但也许有办法。

量子引力的理论研究在同一物理现象的两种不同公式之间建立了惊人的等价性。由于这种等价性，黑洞的生命周期可以用一种完全不涉及重力的完全不同的语言来描述。取而代之的是，“双重”量子系统由许多相互强烈相互作用的粒子组成。当前研究的一个目标是充实词典，将这些语言中的一种翻译成另一种。

对同一基础物理的两种不同描述的等价性似乎“仅仅”是一种数学观察，但它对实验的影响却是深远的。事实证明，研究黑洞非引力描述所需的实验工具，正是物理学家出于完全不同的原因已经在开发的工具-操作解决非常困难的计算问题的量子设备。这是因为在量子重力和量子计算的模拟中，我们都需要存储一个由许多粒子组成的复杂系统，并精确地控制它们如何相互作用。

多年来，我一直对量子计算和黑洞都非常感兴趣，所以对我来说，这两者之间的这种联系是令人着迷和满足的。可以肯定的是，量子计算技术还不成熟，所以我们不可能很快在实验室里模拟出逼真的黑洞。没关系-我们将满足于研究简化的模型，这些模型捕捉到了量子引力的一些有趣的特征。即使是这些也可能是有启发性的，随着量子技术的进步，我们将能够进行越来越复杂的实验。

此外，二元性是一条双行道。量子计算机不仅会教给我们有关量子引力的知识；通过将许多强相互作用粒子的行为与引力现象联系起来，我们可以更好地理解这种行为。通常，如果我们在一个强相互作用的系统中的特定位置印上一些信息，这些信息会迅速传播，很快就会变得非常难以阅读。但我们知道有一些有趣的情况，由于一些不明显的原因，信息最终会重新聚焦，并在遥远的不同位置变得很容易阅读。

当翻译成双重引力语言时，这个神秘的过程就更容易理解了。在这个框架中，虫洞将空间中两个遥远的点连接起来。当印记信息进入虫洞的一端时，它就消失了，然后当它从另一端出现时，它又重新出现了。物理学家渴望这种对复杂现象的直观解释，而实验学家和理论家的共同努力必然会产生更多类似的见解。

我们有时担心，随着科学的进步，它会不断分裂成越来越窄的专业，彼此之间的互动越来越少。但根据我自己的经验，我看到了一个更强大的反补贴趋势：随着知识的进步，在不同领域工作的科学家发现，他们有越来越多的东西可以相互学习。在实验室探索量子引力的机会受到高能理论家的猜测的推动，但它也大量借鉴了凝聚态物理学家、原子物理学家和计算机科学家的专业知识。这些令人兴奋和不断加深的联系让我对未来持乐观态度。