从黑洞到超流氦

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△ 超流体是一种很奇怪的物质状态，比如它可以反引力从容器中向上“滴”出。（图片来源：AlfredLeitner/Wikimedia）
黑洞和超流体都是非常奇异的。前者是宇宙中最令人着迷的天体，其引力强大到就连光都无法逃逸。后者则是一种可以永无止境地流动（零阻力）的流体。这两者之间看似毫无关系，但科学家通过计算机模拟发现，黑洞所服从的一个非比寻常的定律也发生在超流氦上。这个定律被称为纠缠面积定律。
早在1970年代，霍金和贝肯斯坦就发现了黑洞的一个奇异性质。试想一下，如果有物质落入黑洞时，一个合理的推测是它吞噬的信息总量——物理学家通常用熵来表示一个系统包含的信息——会随着体积的增加而增加。但是霍金和贝肯斯坦通过计算却意外的发现熵的增加并不取决于体积，而是跟黑洞的表面面积成正比。

△ 黑洞的熵（S_BH）正比于表面面积（A），l_p 代表普朗克长度。
这很奇怪。如果你把一个箱子的大小翻倍，你自然期待箱子能容纳的信息总量也会翻倍。然而，黑洞的情况就好比是档案橱柜，它能够填满多少文件依赖于抽屉的表面积，而不是抽屉有多深。
现在，科学家发现这个反直觉的纠缠面积定律也适用于超流体。

△ 论文的作者之一Adrian Del Maestro。（图片来源：Josh Brown）
科学家利用了超级计算机来模拟氦的同位素氦-4。当温度低于2开尔文（零下271摄氏度）时，氦就会从气体转变成没有粘性的超流体，这允许它在流动时不会损失动能。
在超流氦中，构成物质的单独原子不再被视作单独的实体，它们之间会发生量子纠缠——一对纠缠的粒子无论相距多远，只要知道了其中一个粒子的状态就立即能够知道另一个的状态（关于量子纠缠的详细讨论可阅读：《宇宙贝尔实验》）。研究人员利用两台超级计算机进行模拟，他们探索了在超流氦中的64个氦原子之间的相互作用。
在下图中我们可以看到，一个超流氦的容器用一个虚拟的球一分为二，绿色部分的冷氦原子，和围绕着球的氦原子（蓝色）。科学家研究了在球内和球外的原子之间的纠缠。他们发现在球内外之间共享的纠缠量子信息的量（纠缠熵）是由球的表面面积决定的，而不是体积。

△ 超流氦服从着物理学中一个奇怪的定律。一个系统的信息——熵——随着该系统的表面面积（而不是体积）而增加。在超流体的模拟中，球内的原子（绿色）纠缠于球外的原子（蓝色）的熵会随着超流体球的表面面积（灰色）而增加。（图片来源：HERDMAN ET AL/NATURE PHYSICS 2017）
超流体球跟黑洞的事件视界（围绕在黑洞的一个有去无回的边界，光落入这个边界也无法逃脱）类似。在黑洞，位于事件视界一边的粒子可以跟另一边的纠缠，以同样的方式制造了纠缠熵。
这个结果是很令人惊喜的。新的研究结果或许可以帮助物理学家找到统治微观世界的量子力学和支配宏观世界的广义相对论之间的联系，从而发展出一套完整的量子引力。
面积定理是现代物理学的基础部分。黑洞的熵正比于表面面积启发了科学家提出全息原理。该原理认为在三维空间内的信息会被编译在二维的表面上。

△ 量子纠缠是否和虫洞有关？。（图片来源：NICOLLE RAGER FULLER）
此外，有一些科学家现在也相信时空的基本构造也有可能是量子纠缠的结果，这个想法也跟面积定律相关。
虽然纠缠熵在物理学的许多不同领域都有应用，但最大的问题在于没有人知道如何在真实世界的系统中测量它。

佐助

黑洞的熵是被二维化了

niubigg

只是一套臆测理论，传着传着就真了，这就是无奈的人性，只希望以后类似这样的文章能遵从科学的发展，不是只为博人眼球来诱导观众

火星人

盯着第一个方程，我陷入了沉思，科学家似乎看到了世界的真想，而我看到了山、白云和我自己的脸，于是我摁亮屏幕继续陷入沉思…

火星人

一脸懵逼的进来，一脸懵逼的出去