Science 版 (精华区)

作  家: Smart (Cynic) on board 'Science'
题  目: <<NST>>III ---  Roger Penrose on quantum theory and space-time
来  源: 哈尔滨紫丁香站
日  期: Mon Oct 20 13:01:06 1997
出  处: wangw@phy5.hit.edu.cn

                                The Nature of
                               Space and Time

    Two relativists present their distinctive views on the universe, its
                 evolution and the impact of quantum theory

                  by Stephen W. Hawking and Roger Penrose

III. Roger Penrose on quantum theory and space-time:

                  The great physical theories of the 20th century have been
                  quantum theory, special relativity, general relativity
                  and quantum field theory. These theories are not
                  independent of each other: general relativity was built
                  on special relativity, and quantum field theory has
                  special relativity and quantum theory as inputs.

                  It has been said that quantum field theory is the most
                  accurate physical theory ever, being accurate to about
                  one part in about 1011. However, I would like to point
                  out that general relativity has, in a certain clear
                  sense, now been tested to be correct to one part in 1014
                  (and this accuracy has apparently been limited merely by
                  the accuracy of clocks on Earth). I am speaking of the
                  Hulse-Taylor binary pulsar PSR 1913+16, a pair of neutron
                  stars orbiting each other, one of which is a pulsar.
                  General relativity predicts that this orbit will slowly
                  decay (and the period shorten) because energy is lost
                  through the emission of gravitational waves. This has
                  indeed been observed, and the entire description of the
                  motion...agrees with general relativity (which I am
                  taking to include Newtonian theory) to the remarkable
                  accuracy, noted above, over an accumulated period of 20
                  years. The discoverers of this system have now rightly
                  been awarded Nobel Prizes for their work. The quantum
                  theorists have always claimed that because of the
                  accuracy of their theory, it should be general relativity
                  that is changed to fit their mold, but I think now that
                  it is quantum field theory that has some catching up to
                  do.

                  Although these four theories have been remarkably
                  successful, they are not without their
                  problems....General relativity predicts the existence of
                  space-time singularities. In quantum theory there is the
                  "measurement problem"-I shall describe this later. It may
                  be taken that the solution to the various problems of
                  these theories lies in the fact that they are incomplete
                  on their own. For example, it is anticipated by many that
                  quantum field theory might "smear" out the singularities
                  of general relativity in some way....

                  I should now like to talk about information loss in black
                  holes, which I claim is relevant to this last issue. I
                  agree with nearly all that Stephen had to say on this.
                  But while Stephen regards the information loss due to
                  black holes as an extra uncertainty in physics, above and
                  beyond the uncertainty from quantum theory, I regard it
                  as a "complementary" uncertainty.... It is possible that
                  a little bit of information escapes at the moment of the
                  black hole evaporation...but this tiny information gain
                  will be much smaller than the information loss in the
                  collapse (in what I regard as any reasonable picture of
                  the hole's final disappearance).

                  If we enclose the system in a vast box, as a thought
                  experiment, we can consider the phase-space evolution of
                  matter inside the box. In the region of phase space
                  corresponding to situations in which a black hole is
                  present, trajectories of physical evolution will converge
                  and volumes following these trajectories will shrink.
                  This is due to the information lost into the singularity
                  in the black hole. This shrinking is in direct
                  contradiction to the theorem in classical mechanics,
                  called Liouville's Theorem, which says that volumes in
                  phase space remain constant....Thus a black hole
                  space-time violates this conservation. However, in my
                  picture, this loss of phase-space volume is balanced by a
                  process of "spontaneous" quantum measurement in which
                  information is gained and phase-space volumes increase.
                  This is why I regard the uncertainty due to information
                  loss in black holes as being "complementary" to the
                  uncertainty in quantum theory: one is the other side of
                  the coin to the other....

                  [Let] us consider the Schroedinger's cat thought
                  experiment. It describes the plight of a cat in a box,
                  where (let us say) a photon is emitted which encounters a
                  half-silvered mirror, and the transmitted part of the
                  photon's wave function encounters a detector which, if it
                  detects the photon, automatically fires a gun, killing
                  the cat. If it fails to detect the photon, then the cat
                  is alive and well. (I know Stephen does not approve of
                  mistreating cats, even in a thought experiment!) The wave
                  function of the system is a superposition of these two
                  possibilities....But why does our perception not allow us
                  to perceive macroscopic superpositions, of states such as
                  these, and not just the macroscopic alternatives "cat is
                  dead" and "cat is alive"?...

                  I am suggesting that something goes wrong with
                  superpositions of the alternative space-time geometries
                  that would occur when general relativity begins to become
                  involved. Perhaps a superposition of two different
                  geometries is unstable and decays into one of the two
                  alternatives. For example, the geometries might be the
                  space-times of a live cat, or a dead one. I call this
                  decay into one or the other alternative objective
                  reduction, which I like as a name because it has an
                  appropriately nice acronym (OR). How does the Planck
                  length 10-33 centimeter relate to this? Nature's
                  criterion for determining when two geometries are
                  significantly different would depend upon the Planck
                  scale, and this fixes the timescale in which the
                  reduction into different alternatives occurs.


--
※ 来源:·哈尔滨紫丁香站 bbs1.hit.edu.cn·[FROM: wangw@phy5.hit.edu.c]