為什麼黑洞內部永遠在增長?這有一個可能的量子解釋
2019年04月10日15:09

  倫納德·薩斯坎德(Leonard Susskind)是弦理論和全息原理的先驅,他在過去半個世紀中,還提出了其他一些重要的物理學思想。如今,他又為一個重要的黑洞謎題提供瞭解答。這個謎題就是,黑洞作為一種神秘、不可見的球體,儘管從外部看保持著恒定的大小,但它們的內部體積卻基本上是在永遠保持增長,這怎麼可能呢?

  在最近的一系列論文和講話中,薩斯坎德這位78歲的斯坦福大學教授和他的研究合作者提出,黑洞體積增長是因為它們的複雜性在穩步增長——這個觀點儘管未經驗證,但卻促使人們開始思考,黑洞內部的引力是否具有量子特性。

  黑洞是引力極大的球形區域,甚至連光也無法從中逃逸。一個世紀之前,愛因斯坦的廣義相對論首次預言了黑洞的存在,此後,科學家在宇宙各處都探測到了黑洞。(黑洞通常是死亡恒星向內發生引力坍縮形成的。)愛因斯坦的理論把引力的作用等同於時空的彎曲(即宇宙的四維結構),但黑洞中的引力非常強大,以至於時空結構彎曲到了極限——也就是黑洞中心密度無限大的“奇點”。

  根據廣義相對論,黑洞的內向引力坍縮從未停止過。儘管從外部看上去,黑洞似乎保持著恒定的大小,只會在新的東西落入其中時稍稍擴大,但隨著空間朝向中心點伸展,它的內部體積卻時刻在增大。要簡單地想像一下這種永恒增長的圖景,我們可以把黑洞想像成一個從二維平面(它代表的是時空結構)向下延伸的漏鬥。漏鬥越來越深,這樣,落入其中的東西永遠不會碰到底部那個神秘的奇點。實際上,黑洞是一個從所有三個空間方向向內延伸的漏鬥。圍繞著黑洞的球形邊界被稱為“事件視界”,任何東西進入其中就再沒有回頭路。

  至少從上世紀70年代開始,物理學家就已經認識到,黑洞必然是某種類型的量子系統,就像宇宙中的萬事萬物一樣。愛因斯坦理論所描述的黑洞內部翹曲時空,可能是大量引力粒子的的集體狀態,這種粒子就是量子引力理論描述的“引力子”。這種情況下,黑洞的所有已知特性都應該能追溯到這個量子系統的特性。

  事實上,1972年,以色列物理學家雅各布·貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)發現,黑洞球形事件視界佔據的區域對應於它的“熵”。這是黑洞內全部粒子所有可能的微觀排列方式的數量,或者就像現代理論物理學家描述的那樣,熵是黑洞存儲信息的能力。

  貝肯斯坦的見解讓史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在兩年後認識到,黑洞是有溫度的,因此它會輻射出熱量。這種輻射會導致黑洞慢慢蒸發掉,這引出了廣受熱議的“黑洞信息悖論”,該悖論提出了一個疑問:那些落入黑洞的信息發生了什麼?量子力學稱,宇宙保留了有關過去的所有信息。但那些下落物質的信息呢?它們似乎在永遠地落向中心奇點,難道也蒸發掉了嗎?

  黑洞表面區域與其信息內容之間的關係,讓量子引力領域的研究人員忙活了幾十年,但有人可能會問:從量子力學的角度來看,黑洞內部不斷增長的體積對應的是什麼呢?“不管出於何種原因,沒有人真正想過那意味著什麼,這麼多年來,我也是如此。”薩斯坎德說,“到底是什麼東西在不斷增長?這本應成為黑洞物理學的一個主要謎題。”

  斯坦福大學理論物理學教授倫納德·薩斯坎德在位於加州帕洛阿爾托的家中。

  近年來,隨著量子計算的興起,物理學家通過研究黑洞的信息處理能力(就好像它們是量子計算機一樣),獲得了有關這些物理系統的新見解。這個視角讓薩斯坎德及其合作者找到了一個候選對象,來描述黑洞不斷變化的量子特性,正是這種特性,導致了黑洞的內部體積持續增長。他們提出,發生變化的是黑洞的“複雜性”——這大致衡量的是恢復黑洞初始量子狀態(黑洞形成時)所需的計算量。黑洞形成後,隨著內部粒子相互作用,關於其初始狀態的信息變得越來越混亂。其結果就是,黑洞的複雜性不斷增長。

  薩斯坎德團隊利用簡化模型,將黑洞以全息圖形式呈現,由此證明,黑洞的複雜性和體積都以相同的速率增長,從而為這樣一個觀點提供了支援,即黑洞的複雜性和體積也許是互為支撐的。而且,鑒於貝肯斯坦已計算得出,黑洞會存儲其表面區域所允許的最大信息量,薩斯坎德的研究表明,黑洞的複雜性會以物理定律所允許的最快速度不斷增長。

  加州理工學院理論物理學家約翰·普瑞斯基爾(John Preskill)同樣也在利用量子信息理論來研究黑洞,他認為,薩斯坎德的想法很有趣。“這種計算複雜性的概念在很大程度上是計算機科學家可能想到的東西,通常不是物理學家能玩得轉的。”普瑞斯基爾說,“而它也許對應於黑洞的某個特性——瞭解廣義相對論的人都能很自然地想到這種特性——這一點真的很酷。”這種特性指的就是黑洞內部的增長。

  對於薩斯坎德理論的含義,研究人員仍然感到困惑不解。斯坦福大學理論物理學家阿隆·沃爾(Aron Wall)說,“這個提法固然令人興奮,但在很大程度上仍然屬於推測,也許並不正確。”沃爾表示,為了闡明量子相互作用的複雜性是如何跟空間體積對應起來的,挑戰之一是要在黑洞的語境下定義複雜性。

  普林斯頓高等研究院的黑洞專家道格拉斯·斯坦福(Douglas Stanford)指出,一個潛在的教益是,“黑洞擁有某種內部時鍾,它的時間走得非常非常慢。對於一個普通的量子系統,那是狀態的複雜性。而對於黑洞,那是視界後面區域的大小。”

  假如複雜性確實是黑洞內部空間體積的基礎,薩斯坎德預見,這將對我們對宇宙學的理解產生影響。“不僅是黑洞內部會隨著時間推移而增長,宇宙學的空間也會隨著時間推移而增長。”他說,“宇宙學空間增長是否跟某種類型的複雜性增長存在關聯,我覺得這是一個非常有意思的問題。至於宇宙時鍾和宇宙演化是否也跟複雜性的演化有關,我不知道答案。”

  來源:造就

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