把量子探测器扔进黑洞，我们会看到期待已久的… ——滑铁卢大学教授Robert Mann专访 | 科学讲坛

学术 2024-12-21 10:02 北京

问题一：请介绍一下自己所研究的领域

Robert Mann: 我是加拿大安大略省滑铁卢大学的物理学教授，也在圆周物理理论研究所、量子计算研究所展开研究，我的研究领域是黑洞、粒子物理学和量子信息，专攻黑洞和量子信息。

问题二：量子计算领域最让你感兴趣的点是什么？

Robert Mann：我的领域名称是相对论量子信息，已经研究了近20年。这一领域基本上专注的是相对论效应如何影响量子信息，诸如视界、非惯性运动或时空弯曲等效应。因此，我们研究的课题包括黑洞附近量子纠缠的变化过程，具体来说，量子真空表现出纠缠特性，从原理上来讲，这些特性能被提取出来，但如何提取，取决于时空的因果结构、探测器的相对非惯性运动等等因素。

而在相对论量子信息的子领域中，我们尝试测试低能量量子领域中的引力，从基础上将探测到的引力与实验能量与尺度上测试到的量子物理学进行对比。

问题三：我们能用量子探测器窥视黑洞内部吗？

Robert Mann：理论上可行，我们可以使用量子探测器窥视黑洞内部，因为尽管经典观察者无法获得任何本征态量子，除非他们亲自进入黑洞内，否则无法窥视黑洞内部，而黑洞内外的空间内充斥着量子场。我与Alex Smith合作的研究，以及最近与Jorma Louko和Dyuman Bhattacharya的合作研究，我们已经表明黑洞外的局域量子探测器能够灵敏感知黑洞内的拓扑结构。但经典观察者永远无法知晓黑洞内部究竟是奇点，还是拓扑结，或者其他虫洞类型结构，而在黑洞外使用量子探测器就能分辨出来。

问题四：宇宙大爆炸理论是否可能被时间开端的黑洞所取代？

Robert Mann：你这个问题正是我和Niayesh Afshordi、Razieh Pourhasan一起提出的观点，我们想要探索是否能够以阐释黑洞奇点的方式来阐释大爆炸奇点，于是提出了一种机制，让五维恒星坍缩，在爆炸过程中将产生一种“膜”，一种至少是一维的平面膜，这就是我们所在的宇宙，而大爆炸则将这一平面从更高维坍缩的恒星中剥离出来，我们称之为全息宇宙大爆炸，并展开了一定的研究。但遗憾的是，在最简单的模型版本中，我们无法恰如其分地描述早期宇宙辐射，还需要进一步调整模型。但我们没有继续下去，因为尽管我们想要让模型尽量简单，但实际上模型可能会很复杂。

问题五：相对论如何影响量子计算机运行？

Robert Mann：非惯性相对论运动，或者说加速度会削弱纠缠，这与安鲁效应（Unruh Effect）有关，即匀速加速的探测器即便处在闵可夫斯基真空零度的条件下也会检测到不为零的温度。20多年前，我与Ivette Fuentes曾研究过，如果我们有一对纠缠的探测器，其中一个匀速加速，结果会发生什么？我们发现，如果非惯性相对运动中的探测器处于最大纠缠态，而此时另一个探测器正在加速中，纠缠就会减弱。加速度越大，削弱程度也越大。因此，从某种程度上来说，纠缠是量子计算的资源，而量子比特的相对运动则会影响这一资源。现在我估计人们不会去建造这种内部量子比特相对加速的量子计算机，但关键是要探讨物理学的一些基本效应，上述问题便是是其中之一。

问题六：您更喜欢思维实验还是教材问题？

Robert Mann：我不确定是否要二选一。如果一定要选，我个人更喜欢思想实验，因为我认为思想实验教会我们理解世界可能的样子，而最好的思想实验最终能够成为真实的实验，然后就能够了解自然的真实情况。

问题七：如何看待人工智能对科学研究的影响？

Robert Mann：我认为人工智能将对所有学术研究产生深远的影响，尤其是科学研究，但方式可能出乎我们意料。人工智能肯定有助于分析来自宇宙观测、粒子物理实验等获得的海量数据，它还能辅助证明全新的定理，也许有人会问，一旦它变得足够复杂，除了肖尔算法、傅里叶变换以及其他我们已知的定理，是否还存在其他有趣的量子计算定理。

我还认为人工智能有助于撰写基金申请书，也可能帮助我们撰写论文。当然，其中也有风险，即到什么程度人工智能算作是助手，而又到什么程度人工智能变成了掌控者，要解答这个问题并不那么简单。确实，有相当一部分人已经在担心情况可能会失控，人工智能不再服务于我们，而是反过来掌控我们。我本人并不特别担心，但我也认同不应该忽视这样的警告，我们应该保持警惕。

问题八：与其他领域科学家的沟通交流如何帮助您的研究？

Robert Mann：倾听他人讲述和你完全不一样的研究，我们总能从中受益，所以我喜欢和各种各样的人交流，不仅仅是其他科学家，还有艺术、社会科学领域的人，甚至是研究神学的专家，因为能够了解他们对事物的看法和观点。在非科学学科中，他们不会直接推动科学研究进展，但能提供间接帮助。说到其他科学家，我曾与化学家展开过卓有成效的讨论，例如，我当时在研究黑洞化学，和David Kubiszczyk以及我的研究生一起工作，结果发现黑洞具有相变，类似于化学实验室中观察到的现象，所以称为黑洞化学。最后我咨询了化学家，以确认我的理解是否正确，他们帮助我理解他们如何从化学角度观察事物，如何转化应用。

当然，和身边的专家展开讨论总是很有帮助，因为他们是我最好的批评家，所以，如果你有什么想法，有什么结论，并且已经搞清楚了，最好的方法就是找其他领域与你专业接近的科学家，讨论并验证你的想法，他们会给出非常好的批评建议。

问题九：如何鼓励处于研究瓶颈期的学生？

Robert Mann：如果学生处于瓶颈期，我如何鼓励取决于他们碰到了哪种类型的瓶颈。首先，我尝试找出他们在哪些地方遇到了问题，为什么会这样，然后我会建议换个角度看待所遇到的问题。有时候，我看到他们所做的事情不会有结果，那我就会建议他们换个方向。有时候，我告诉他们只需要再努力一点，但我发现我的学生们其实都很努力。所以，大部分时候，他们带着瓶颈问题来找我，我知道他们已经付出了很多努力，那这时我要做的就是建议他们从不同角度重新审视卡住自己的问题，寻找不同的解决方法。

问题十：给年轻学生一些科学研究和生活上的建议。

Robert Mann：这是两个大问题。我认为人们成为科学家，从事科学研究，那是因为他们充满好奇心，他们想要知道事物运行的模式，尤其是大自然的运行模式。我认为其他领域，例如社会科学、人文学科、神学等等，他们也对自己的学科抱有好奇心。总而言之，进入学术生涯的人的共同特点是好奇心。所以，对于新入学的学生，我想说，找到你感兴趣的事情，找到志同道合的群体，去知名机构、大学或者科学实验室寻找合作的可能，从内部了解科学研究的完整过程。根据我的个人经验，大部分学生充满好奇心，但方向却很模糊，他们并不确定自己想做什么，我会建议他们去研究一些具体的问题。

但就生活而言，生活本身非常有趣，值得追求，我们身在其中，探索发现世界的本质，如何被创造，发生了什么。我对生活本身，对生活目的的好奇就如同对物理学的好奇心一样，这些都是非常有趣的问题。所以，我也鼓励学生在生活中追求对其他事物的好奇心，但不要过于狭隘。确实，在科学领域获得成功并非易事，你必须要专注，要把所有的时间都用来攻克一个问题，但你不能或者不应该把自己的一生都过成这样。生活不仅仅是物理计算，或者在实验室各种测量，生活还有其他方面。所以，我认为保持生活与研究工作的平衡很重要。

本文转载自《墨子沙龙》微信公众号

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