读量子霸权17模拟宇宙（下）

1.黑洞 1.1.模拟黑洞可以很快耗尽普通数字超级计算机的计算能力 1.2.并没有人真正知道当一颗大质量恒星在引力作用下坍缩时会发生什么，因为爱因斯坦定律和量子理论将会失效，对这些的认知将需要新的物理学 1.3.事件视界 1.3.1.事实上，这是在2021年通过将地球周围的一系列射电望远镜的光聚集在一起，创造了一个与地球本身大小相当的射电望远镜而拍摄到的 1.3.2.研究表明，在距离地球约5300万光年的名为M87的星系中心，事件视界是一个被超高温发光气体包围的暗球 1.4.黑洞可能会坍缩成一个奇点，这是一个密度难以想象的超压缩点 1.4.1.黑洞在以惊人的速度旋转 1.4.2.数学表明，如果你从环中掉下来，可能根本不会死，而会进入一个平行宇宙 1.4.3.旋转的环变成一个虫洞，一个通往黑洞之外另一个宇宙的门户 1.5.黑洞数学还停留在理论层面，因为其中还存在量子效应 1.5.1.只有当空间和时间在黑洞中心发生扭曲时，量子计算机可能才能为我们提供爱因斯坦理论和量子理论的模拟 2.暗物质 2.1.大多数小学课本都声称宇宙主要由原子组成 2.1.1.现在大家都知道这种说法是错误的 2.2.宇宙实际上主要是由神秘的、看不见的暗物质和能量组成的 2.2.1.宇宙的大部分是黑暗的，我们的望远镜无法研究它，我们的感官也不能探测它 2.3.1884年，开尔文勋爵首次提出暗物质理论 2.3.1.星系自转所需的质量远大于恒星的实际质量 2.3.2.大多数恒星实际上是黑暗的，它们并不发光 2.3.3.像弗里茨·兹维基和薇拉·鲁宾这样的天文学家证实了这一奇怪的观测结果，他们意识到星系和星团旋转得太快了，根据我们的方程，它们应该就飞散开来了 2.3.4.我们银河系的自转速度比预想的要快10倍 2.3.4.1.由于天文学家对牛顿引力理论抱有极大的信心，这一结果就这样在很大程度上自然而然被忽视了 2.4.不仅银河系，所有星系都表现出了同样奇怪的现象 2.4.1.这些星系包含着将它们维系在一起的看不见的暗物质 2.4.2.这个光环的质量是银河系本身的许多倍 2.4.3.宇宙的大部分似乎是由这种神秘的暗物质组成的 2.5.更神秘的是暗能量，一种奇怪的能量形式，填满了太空的真空部分，甚至导致了整个宇宙的膨胀 2.5.1.尽管暗能量占宇宙已知物质/能量含量的68%，但人类对它几乎一无所知 2.6.组成我们身体的许多元素只占宇宙的0.1%。我们才是真正的异类 2.6.1.构成宇宙大部分的物质具有奇怪的性质。由于暗物质不会与普通物质相互作用，如果你把它拿在手里，它就会从你的手指缝中筛过，掉到地板上 2.6.2.它不会就此止步，而是继续从泥土和混凝土中坠落，就好像地球不存在一样 2.7.暗物质以同样的方式扭曲光 2.7.1.暗物质集中在星系周围，将星系固定在了一起 2.7.2.并不知道暗物质是由什么组成的 2.7.2.1.它显然是由一种从未见过的物质构成的，而且这种物质是亚原子粒子标准模型之外的东西 3.粒子的标准模型 3.1.量子计算机是利用量子力学的反直觉定律进行计算的 3.2.随着更大的粒子加速器将质子相互碰撞以找出物质的基本成分，量子力学也在不断发展 3.3.世界上最强大的加速器是瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机，这是有史以来建造的最大的科学机器 3.3.1.它是一个直径为16.6英里的管道，有强大的磁铁，可以将质子发射到14万亿电子伏特 3.4.它是一个直径为16.6英里的管道，有强大的磁铁，可以将质子发射到14万亿电子伏特 3.5.粒子的标准模型代表了量子理论最先进的版本 3.5.1.它是数十位诺贝尔奖获得者辛勤工作的结晶，也是耗资数十亿美元研究巨型原子加速器的最终产物 3.5.2.按理说，它应该是人类精神最崇高成就的光辉里程碑 3.5.2.1.它由一组令人困惑的亚原子粒子组成，这些粒子也没有什么规律或者逻辑因果 3.5.2.2.它有36个夸克和反夸克，9个以上可以随意调整的自由参数，三代相同的粒子，以及一堆被称为胶子、W玻色子和Z玻色子、希格斯玻色子和杨-米尔斯粒子等的奇异粒子 3.5.2.3.该理论没有涉及引力，也无法解释构成已知宇宙的绝大多数的暗物质和暗能量 3.5.2.4.它还是有效的 3.5.2.5.在过去的50年里，物理学家没有发现任何偏离标准模型的现象 4.超越标准模型 4.1.2021年，芝加哥郊外的费米国家加速器实验室首次发现了标准模型中的裂缝 4.2.那里的巨大粒子探测器发现μ介子（常见于宇宙射线中）的磁性略有偏差 4.3.标准模型之外确实存在着新的力量和相互作用 4.4.量子计算机是出色的搜索引擎，善于在大海里捞针 4.4.1.量子计算机已经被物理学家用在理解粒子相互作用的神秘动力学方面 4.4.2.大型强子对撞机上，两束高能质子以14万亿电子伏特的能量相互撞击，产生了自宇宙诞生以来从未有过的能量 4.5.许多物理学家相信，我们的粒子加速器最终会发现超越标准模型的粒子存在的确凿证据，这也将揭开宇宙简单和美丽之下的真正面纱 4.6.“未来环形对撞机”，将在瑞士的欧洲核子研究中心建造 4.6.1.它的周长为62英里，将使16.6英里的大型强子对撞机相形见绌 4.6.2.它将耗资230亿美元，并将达到100万亿电子伏特的能量 4.6.3.它将是迄今为止地球上最大的科学机器 4.7.万物理论 4.7.1.它必须包含爱因斯坦的引力理论 4.7.2.它必须包含粒子的整个标准模型，包括所有的夸克、胶子、中微子等 4.7.3.它必须是有限的并且没有异常 5.弦理论 5.1.超越标准模型的量子理论的领先（也是唯一）候选者就是弦理论 5.2.弦理论认为，所有的基本粒子都只是微小振动弦上的音符 5.3.这根小橡皮筋的每一次振动都对应于一种粒子，因此电子、夸克、中微子和标准模型中的所有其他粒子都只是不同的音符 5.4.人们可以在这些琴弦上演奏的和声 5.5.化学则对应于琴弦振动产生的旋律 5.6.宇宙则可以比作一首弦乐交响曲 5.7.爱因斯坦笔下的“上帝的心智”将对应于宇宙音乐在宇宙中的共鸣 5.8.在计算这些振动的性质时，可以发现引力，这是标准模型中明显缺失的 5.9.如果爱因斯坦从未出生，广义相对论就会被发现是弦理论的副产品，只不过是振动弦的最低音之一 5.10.事实上，它可能有无限多的解，丰富得令人尴尬 5.11.必须提前明确你正在研究的东西，也就是说，你必须指定初始条件 5.11.1.必须明确宇宙大爆炸的初始条件 5.11.2.没有人知道是什么条件引发了最初的宇宙爆炸，从而创造了整个宇宙 5.12.弦理论景观上的每一个点都对应着一个完整的宇宙，而其中的一点应该就可以解释我们所在的宇宙的特征 6.关键 6.1.也许我们所在宇宙是唯一稳定的宇宙 6.2.最能描述强核力理论的理论被称为QCD（量子色动力学） 6.2.1.这是一种亚原子粒子的理论，它将夸克结合在一起，产生了中子和质子 6.2.2.人们认为物理学家足够聪明，可以完全使用纯数学来求解QCD 6.2.2.1.这被证明是一种幻想 6.3.“格点QCD”，它将空间和时间划分为数十亿个微小的立方体，形成格点 6.4.人们可能不得不求助于量子计算机来求解所有的弦理论方程 6.5.有一个可能性是，真正的宇宙理论可能会在这个过程中产生 6.5.1.那把能够打开对宇宙创世纪认知的钥匙，可能就掌握在量子计算机的手中 7.量子谜题 7.1.宇宙学家斯蒂芬·霍金说过，物理学家是唯一能够说出“上帝”这个词而不会脸红的科学家 7.2.物理学家发现量子力学的替代方案产生的宇宙要么并不稳定，要么存在某些隐藏的致命缺陷 7.3.我们希望宇宙是稳定的 7.3.1.我们不希望它在我们手中分崩离析，最后一无所有 7.3.2.量子计算机创造稳定宇宙的唯一途径就是从薛定谔方程开始 7.3.3.一台量子计算机是独一无二的。也许有很多方法可以将物质组装起来，来创建量子计算机 7.3.4.只有一种方法可以让量子计算机在进行计算的同时还能描述稳定的物质 7.4.量子理论解决了这一问题，因为电子是用波描述的，而只有这种波的离散共振才能围绕原子核振荡 7.5.如果我们想要一台能够操纵电子、光和原子的量子计算机，那么我们很可能就只能使用一种独特的量子计算机架构 8.作为模拟的宇宙 8.1.要用经典计算机精确建模，你需要处理10^23位信息，这远远超出了经典计算机的能力 8.2.真正能够模拟天气的最小物体就是天气本身 8.3.蝴蝶效应 8.4.一台有300个量子位的量子计算机，那么我们在量子计算机中就有了2^300个状态，比宇宙的状态还要复杂 8.5.能够模拟宇宙的最小物体就是宇宙本身 8.6.在基本粒子物理学中，物质的终极单位是粒子，比如电子 8.6.1.在信息论中，信息的最终单位是比特 8.7.量子图灵机可以对量子力学定律进行编码，而量子力学定律反过来又统治着宇宙 8.7.1.宇宙可以不是一台量子计算机，但宇宙中的所有现象都可以被量子计算机编码 8.8.由于微观层面的所有相互作用都是由量子力学控制的，也就意味着量子计算机可以模拟物理世界的任何现象，从亚原子粒子、DNA、黑洞到大爆炸 8.8.1.量子计算机的游乐场就是宇宙本身 8.8.2.如果人类能够真正理解量子图灵机，那么也许人类就能真正理解宇宙了 9.平行宇宙 9.1.埃弗里特的多世界理论可能是解决测量问题的最简单、最有效的方法 9.2.如果薛定谔波被允许在不坍缩的情况下自行自由移动，那么分裂将会发生无限多次，从而创造出一个可能宇宙的无限级联 9.2.1.与其坍缩为一个宇宙，我们不如让无限多个宇宙不断平行分裂 9.3.退相干理论 9.3.1.该理论认为，与外部环境的相互作用会导致波坍缩，即波一旦接触到环境，就会自行坍缩，因为环境已经退相干了 9.4.物理学最终不是建立在推测和猜想的基础上的，物理学中的争论通常是通过做实验来解决的 9.4.1.确凿的证据才是决定性因素 9.5.一旦引入量子引力理论，量子化的最小单位就是宇宙本身 9.5.1.在这种量子引力方法中，相干波和空气中的退相干波之间没有真正的区别。区别只是程度上的不同 9.5.2.也没有任何实验可以真正区分这些不同的方法 9.5.3.这两种方法都给出了相同的量子力学结果，只是它们对结果的解释不同 9.5.3.1.这看上去只是哲学层面的区别 9.6.我们无论使用哥本哈根诠释、退相干方法还是多世界理论，都会得到相同的实验结果，因此这三种方法在实验上是等效的 9.7.在多世界的解释中，我们可能在不同的平行宇宙之间移动