物理理论中的“至尊魔戒”

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  在《指环王》里,黑暗魔君索伦铸造了一枚至尊魔戒,它拥有奴役全世界的力量。索伦利用这枚至尊魔戒,使得整个世界都笼罩在黑暗之中。
  2012年,在物理学理论中就出现了如同至尊魔戒一样的全新理论,它可统领其他所有物理理论,也就是说任何其他的物理理论必须遵循这个全新理论。
  别担心,这个理论不会带来任何灾难,相反,它可以把经典信息理论和量子信息理论结合起来,甚至把所有的物理理论都结合起来。可以说,它是一种万物理论的候选者。
  新的万物理论
  这种新的万物理论,叫做构造因子理论,这种理论是由一系列形而上的定律构成的,是英国牛津大学物理学家大卫·多伊奇提出的。
  那么它能做什么呢?
  我们知道,物理现象不过是从一个状态变化到另一个状态,而这种变化就可以看成一种任务的发生。而构造因子理论给出了一个很自然的方式,来描述所有其他理论必须遵循的基本原则,也就是哪些任务是可能的,哪些是不可能的。例如,你可以简单地说,能量无中生有这种任务是不可行的。另外,一个任务如果是可能的,那么你可以用很多方式来实现它。如果一个任务是不可能的,那往往是背后有些物理定律制约着。
  构造因子理论认为,现实中的实体有一些称为“构造因子”,它可以去执行特定的任务,也可以使任务再次发生。例如,一个电热水壶就可以看成一个构造因子,它可以去执行加热水的任务。或者,在化学反应中,催化剂可以看出一个构造因子,它可以使得其他化学物质发生反应。
  虽然这个理论仍然停留在雏形之中,还没有完全地被数学化。不过最近,多伊奇和他的同事利用构造因子理论第一次把两个彼此独立的理论——经典信息理论和量子信息理论——结合了起来。
  信息理论的统一
  现在的计算机理论的基础理论,只适用于经典世界中的信息是如何被编码、如何被传输的。而现在,物理学家正在努力地建立起一种全新的计算机——量子计算机。原则上来说,利用微观世界古怪的性质,量子计算机可以比今天经典的计算机更快地执行某些任务。但量子计算机有个大问题,就是计算机理论的基础理论不能应用在量子计算机身上。
  多伊奇指出,现在的物理学家现在还无法准确定义量子信息,也还没搞清楚量子信息与经典信息之间的关系是什么。如果我们想发展量子计算机,那么得要找到有关量子计算机的新算法(算法就是计算机如何计算的问题)。但目前为止,所发现的量子计算机算法大都是误打误撞意外发现的,这是因为我们不太理解量子信息的本质,更没有相应的基础理论来指导我们。
  之前,多伊奇认为信息理论最为基础的应该就是量子信息理论,因为量子理论是物理理论最为基础的理论。但之后,他发现这是不对的,因为量子计算机中的算法不对应任何实体。而没有对应物的理论,可以说并不是真正的科学。
  之后,多伊奇提出了构造因子理论,主要就是为了解决这个问题。他还认为,这个理论可以提供一个最为底层的理论基础,可实现经典领域与量子领域等所有理论的大统一。最近,多伊奇和他的同事利用构造因子理论,又朝着统一所有理论的目标迈了一大步——把经典信息理论和量子信息理论结合起来。
  为了描述信息,他们锁定到了一个极为关键的任务,一种在经典系统中可行的,但是在量子系统中不可行的任务——复制能力。自从20世纪80年代以来,物理学家就发现,无法对一个未知量子的状态进行复制,例如复制出一个完全相同的位置、动量和自旋的电子,是不可能的。这个现象称为“不可克隆原理”。
  根据是否具有复制能力,多伊奇和他的同事为经典信息的媒介(通俗地说就是存储信息的东西,像纸张、胶片、光盘等)下了定义,指出经典信息的媒介可以完整地复制一系列的物理状态。然后,他们分析了哪些任务在这种系统里是可行的,发现里面蕴含了计算机理论的基础理论。
  然后,他们又定义了“超信息”媒介这种概念,指的是每个信息只能用一个独一无二的东西来存储,也就是说在这里复制是不可能的。研究结果显示,某一种超信息的媒介,显示出了与量子信息处理过程一样的性质。
  诠释量子力学
  多伊奇和他的同事发现,这种不能复制的性质,还带来其他类似量子理论的性质。例如,测量一下超信息的媒介具体的状态,那么就会不可避免地干扰到它,同样你要是去测量一个微观粒子,你也是不可避免地干扰到它。另外,因为不允许对超信息的媒介的状态做完整的复制,这样就会迫使一些不确定性出现在测量结果中。也就是说,不能复制的性质里蕴含了薛定谔的不确定性原理。
  他们还发现,不能复制的性质也蕴含了另一个古怪的量子现象——量子纠缠——一种鬼魅般的超距作用,会使得量子物体联系在一起,不管它们之间相距多远都可以彼此互相影响。理论表明,包含纠缠态的系统的至关重要的属性是,信息是存储在整个系统里的,而不能通过检索系统中的每个单独的部分就可以获取到所有的信息。也就是说,在量子世界里,整体大于各部分的总和。(整体大于各部分的总和的另一个例子,就是人的大脑。一些神经学家认为,如果对大脑每个部分都分别研究一遍,你是无法揭示意识的真实面目,只有整体地研究才能破解意识之谜。)
  多伊奇和他的同事证明一个信息可以用两个超信息的媒介来进行编码,这样的话是不可能通过单个的子系统来检索到这个信息的,子系统之间存在纠缠就不可避免了。而经典信息的媒介不具有这种能力,所以说经典世界没有纠缠现象。
  理论的展望
  构造因子理论,虽然看起来是个形而上的理论,但是它好像能解释为什么量子力学是这样的古怪。另外,其他的研究人员也提出了很多有竞争力的理论,来对量子力学进行深入解读,其中也包括基于复制的理论。不过,现在判断到底哪个会被证明是描述量子力学最好的理论,还为时尚早。
  另外,这种理论是否真正地统一了经典信息和量子信息,得花点时间来验证。但是如果被证实的话,那么这个理论会帮助多伊奇实现另一个目标,即找到可结合量子理论和广义相对论的量子引力理论。
  一些学者相信构造因子理论也包含了广义相对论和量子理论都必须服从的定律。所以说,构造因子理论也许可以统一所有物理定律。
  总之,利用构造因子理论,我们就可以更好地把握现实的本质。
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