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科学|三体问题可能改变物理学的基本本质


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 。

科学|三体问题可能改变物理学的基本本质
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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 。
【科学|三体问题可能改变物理学的基本本质】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 。

科学|三体问题可能改变物理学的基本本质
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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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