奇点和量子引力

　　奇点和量子引力
　　在电影《星际穿越》中，库珀和塔斯希望从黑洞卡冈都亚中寻找量子数据信息，以便帮助教授解开他的方程，并帮助人类离开地球。他们相信这个信息一定存在于黑洞中心的奇点中，而且罗米利还预言这是一个＂温和＂的奇点。那么，什么是量子信息？它如何能帮助教授求解方程？而温和的奇点又是什么？
　　量子定律，一切宇宙问题的解
　　从根本上说，我们的宇宙建立在量子理论基础之上。关于这一点，我的意思是，所有东西都在随机涨落，至少有一点儿。所有东西！
　　当我们使用高精度的仪器去观测微小的东西时，便可以看见很大的涨落。一个原子中电子的位置总是在随机而且快速的涨落中，以至于在任何一个给定时刻，我们都不可能知道电子的具体位置。这种位置涨落的尺度与原子的大小相当。这也就是为什么量子定律讨论的是电子在某处的概率，而不是实际的位置（见图25-1）。
　　图25-1 两个不同的氢原子中电子出现位置的概率。白色区域表示电子出现的概率高，红色的比较低，黑色的非常低。数字（3，0，0）和（3，2，0）是两个原子概率图的名字
　　当我们用仪器来观测大的东西时，也能看到涨落，前提是我们的仪器足够灵敏。大物体的涨落幅度是极其微小的。在LIGO引力波探测器中（见第15章），人们利用激光来监测悬吊着的40千克重镜子的位置。 它们的位置随机涨落，但是变化的幅度远低于一个原子的尺度：实际上，只有原子大小的百亿分之一（见图25-2）。尽管如此，LIGO的激光束将会在从现在算起的未来几年里探测到这些涨落。（LIGO的设计消除了这些随机涨落对引力波探测的影响。我的学生和我一起确认了这一点。）
　　因为对于像人这么大的物体或者更大的东西来说，它们的量子涨落是微不足道的，所以物理学家们一般都会忽略这些扰动。在我们的数学运算中，这样做可以简化物理定律。
　　图25-2 一个重40千克的镜子正被安装到LIGO上。从量子力学的角度看，它的位置有非常非常小的涨落：一个原子的百亿分之一
　　如果我们从一般的量子定律入手，通过忽略引力和涨落，便可以得到牛顿定律——过去几个世纪里用来描述行星、恒星、桥梁和弹珠的物理法则（见第2章）。
　　如果我们从尚未完全理解的量子引力理论入手，然后忽略涨落，那么我们必须能回到已经有了很深理解的爱因斯坦的相对论物理定律上去。我们忽略的涨落包括浮动的泡沫和精致微小的虫洞（＂量子泡沫＂遍及整个空间 ，见图25-3和第13章）。在不考虑这些涨落的时候，爱因斯坦的理论便精确地描述了黑洞周围的时空弯曲与地球上时间变慢的现象。