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理论|“元层次”的物理学：建构子理论如何解释生命、宇宙和量子计算( 四 )


现代物理学中最突出的问题之一便是广义相对论和量子力学的不相容——广义相对论不能解释原子的微小运动和相互作用 ， 而量子力学不能解释引力及其对大质量物体的影响 。 科学家提出了各种各样的观点 ， 试图将这两大领域在更深层次的理论下统一起来 ， 但众所周知 ， 这些观点都很难通过实验来验证 。 不过 ， 我们可以考虑这些理论应该遵循的原则 ， 来直接进行检验 。
2014年 ， 玛莱托和多伊奇发表了一篇概述信息建构子理论的论文 ， 他们在论文中用可能和不可能的变换来表达多种量 ， 如信息、计算、测量和可区分性 。 重要的是 ， 他们还指出 ， 所有公认的量子信息特征都遵循他们提出的建构子理论原则 。 信息介质是一种物理系统 ， 如计算机或大脑 ， 信息在其中被证实 。 可观测量是指任何可测量的物理量 。 他们将“超信息介质”定义为具有至少两个信息可观测量的信息介质 ， 而这两个信息可观测量的联合却不是一个信息可观测量 。 例如 ， 在量子理论中 ， 人们可以精确地测量一个粒子的速度或位置 ， 但不能同时测量这两个量 。 量子信息是超信息的一个例子 。 但至关重要的是 ， 建构子理论中的超信息概念更为普遍 ， 并有望适用于任何取代量子理论和广义相对论的理论 。
在2020年3月的一篇工作论文中 ， 玛莱托和韦德拉尔指出 ， 如果建构子理论中的信息原则是正确的 ， 那么如果两个量子系统（如两个质量）通过第三个系统相互纠缠（如引力场） ， 则第三个系统本身必须是量子的 。 因此 ， 如果一个实验能让引力场在两个量子位元之间产生局域纠缠 ， 那么引力必定是非经典的——它将有两个可观测量；在量子理论中 ， 这两个可观测量无法以同样的精度同时被测量 。 如果这样的实验显示量子位元之间没有纠缠 ， 那么建构子理论就需要彻底修改 ， 否则就可能是完全错误的 。
如果这个实验显示了两个质量之间的纠缠 ， 那么目前所有试图统一广义相对论和（假设引力是经典引力的）量子力学的尝试都将被排除 。
“关于如何使引力与量子物理学统一 ， 有三种说法 ， ”韦德拉尔说 ， “其中之一是完全的量子引力 。 ”提出量子引力的理论包括圈量子引力论 ， 认为空间由循环的引力场组成；还有弦理论 ， 认为粒子由“弦”组成 ， 其不同的振动模式对应着自然界的各种基本粒子 ， 有一些弦的振动模式就对应着携带引力的量子力学粒子 。
“这些理论将与我们实验的阳性结果相一致 ， ”韦德拉尔说 ， “而那些将被否定的 ， 便是所谓的‘半经典理论’ ， 比如弯曲时空中的量子理论 。 有很多这样的理论 。 它们都将被排除——如果时空真的能够在两个大质量粒子之间产生纠缠 ， 那就会与经典的时空产生矛盾 。 ”
然而 ， 玛莱托和韦德拉尔提出的实验面临着一些重大的实际挑战 。 “我认为 ， 我们的实验与目前的技术能力还有五、六个数量级的差距 ， ”韦德拉尔说 ， “其中一个问题是 ， 我们需要消除任何噪声源 ， 比如感应电磁相互作用……另一个问题是很难创造出近乎完美的真空 。 如果在你想纠缠的物体周围有一大堆背景分子 ， 即使是一个背景分子与你想纠缠的某个物体之间的一次碰撞 ， 都可能是有害的 ， 并导致退相干 。 真空必须非常接近完美 ， 以保证在实验过程中不会发生任何原子碰撞 。 ”
作为一个对建构子理论感兴趣的局外人 ， 韦德拉尔主要关注量子信息的问题 。 他有时会思考所谓的“通用建构子” ， 一种能够执行物理定律允许的所有可能任务的理论装置 。
“尽管我们有通用计算机的模型（即制造一台可以模拟任何物理系统的计算机所需的概念）”韦德拉尔说 ， “但我们没有通用建构子这样的东西 。 这个问题的突破可能是一组公理 ， 可以描述通用建构子的含义 。 这是一个悬而未决的大问题 。 那会是什么样的机器？这让我非常兴奋 。 这也是一个非常开放的领域 。 如果我是一名年轻的研究人员 ， 我现在就会跳到这一领域 。 这就像是下一场革命 。 ”


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