三体问题可能改变物理学的基本本质
万象经验2020-03-25 12:44
本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。
我们的宇宙是由因果驱动的，现在发生的事会直接导致以后发生的事，正因为如此，宇宙中的许多事物都是可以预测的。我们可以预测什么时候会发生日食，或者如何发射火箭将航天器送往火星。反过来也一样。通过观察现在发生的事件，我们可以回顾过去，了解过去发生了什么。例如，我们可以观察今天的星系运动，知道宇宙曾经处于我们称之为大爆炸的热致密状态。
这是有可能的，因为物理学的一个特性被称为时间对称性。不管时间的方向如何，物理定律都是一样的。如果你观看一颗轨道行星的动画，你无法知道它是向前还是向后运行。物理学的因果关系允许因是果，果是因。时间没有优先的方向。
但是，你可能会说，热力学和熵呢？我的咖啡一放在桌子上就会凉下来，如果我把杯子掉在地板上，我就把它打碎无法复原。这不是给了时间一个独特的方向吗？
热力学本质上是统计的。熵确实会随着时间的推移而增加，但那是因为可能的无序状态比有序状态要多得多。这有点过于简化了，但对于日常生活来说已经足够了。如果我把一把沙子抛向空中，沙粒几乎肯定会以某种随机的方式落在地面上。然而，有无限小的机会，他们降落在一个完美的圆。机会是如此之小，我们永远不会看到它发生，但它不是不可能的。混沌系统几乎不可能预测，但我们原则上可以用足够的信息预测它们。由于时间的对称性，我们也可以回到混沌系统的初始状态。
这就是所谓的追溯。它是一种从当前事件“预测”过去事件的能力，是基础物理学的核心。关于量子物理、经典物理和热力学，我们学过的一件事就是它们都归结为信息。任何系统的状态都包含您需要的所有信息，以预测接下来会发生什么。这意味着信息是一个守恒的量，就像能量一样不能被创造或毁灭。
至少我们是这么想的。一个悬而未决的大问题是，信息守恒是否适用于黑洞。如果我把我的个人日记扔进黑洞，它永远也逃不出去。一旦它跨越了事件视界，日记就再也逃不掉了。这是否意味着我内心深处的秘密永远是安全的？这个信息悖论对量子引力有着巨大的影响，但那是另一个时代的故事了。
但即使不借助视界或量子物理，追溯也会失败吗？由于经典物理学是确定性的，所以追溯总是可能的。但一项新的研究反驳了这一观点。
在这项研究中，研究小组用计算机模拟了三个巨大的黑洞在引力作用下的舞蹈。在每次模拟中，他们都会改变黑洞的初始位置，以观察它们的运动随时间的变化有多相似或多不同。这种三体问题是混沌系统的经典例子。对于三体问题没有确切的解决方案，所以这是一个研究系统可预测性的好方法。
正如你所预料的，当你改变初始条件时，你会得到非常不同的结果。随着时间的推移，小的差异会导致大的差异。我们对混沌系统的了解已经有几十年了。但研究小组发现，即使是最小的变化也会导致很大的差异。当他们把移动的距离缩小到普朗克长度时，大多数的模拟结果仍然是一致的，但是大约有5%的模拟结果仍然相差很大。
这很有趣，因为普朗克长度大约是量子系统的尺度极限。小于这个数，已知的物理定律就失效了。由于模态中的物体是大黑洞，这不是量子不确定性的某种影响。在他们的模拟中也没有一些不确定性。这个三体系统的不可预测性似乎是内在的。
所以我们不能总是预测未来。但由于引力定律是时间可逆的，这也意味着对于某些系统，我们无法知道它们的起源。即使原则上也不行。
在你认为这把所有的科学抛到窗外之前，请记住，这是关于我们所能知道的极限。我们仍然可以通过我们今天所看到的来理解宇宙的历史。但这可能意味着信息并不总是守恒的，即使是在一个简单的经典系统中。如果这是真的，它可能会改变我们理解物理学最基本本质的方式。
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