为什么黑洞内部能永远保持增长?著名物理学家提出量子学说新观点

为什么黑洞内部能永远保持增长?著名物理学家提出量子学说新观点

斯坦福大学理论物理学教授伦纳德·苏斯金德

著名物理学家伦纳德·苏斯金德(Leonard Susskind)已经确定了黑洞内部不断增长的量子观点上的原因。

作为弦理论的先驱,全息原则和过去半个世纪的其他重大物理思想的提出者,苏斯金德已经提出了解决黑洞重要难题的方案。

为什么黑洞内部能永远保持增长?著名物理学家提出量子学说新观点

黑洞内部基本上永远在保持体积增长

这个难题是,黑洞从外面观察似乎保持恒定的大小,但它们的内部基本上永远在保持体积增长

这怎么可能?

在最近的一系列论文和谈话中,78岁的斯坦福大学教授和他的合作者推测,黑洞的体积会增加,因为它们的复杂程度正在不断增加。

这一想法虽然未得到证实,但正在推动关于黑洞内的重力性质为量子的新思维学说。

黑洞是如此极端重力的球形区域,甚至光都不会逃逸。一个世纪以前阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论方程首次证明黑洞的存在。黑洞已经在整个宇宙中被发现。它们通常由死星的内向重力坍缩形成。爱因斯坦的理论将重力与时空中的曲线等同于宇宙的四维结构,但是,重力在黑洞中变得如此强烈以至于时空会弯曲到它的断裂点,即黑洞中心的无限密集的“奇点”。

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黑洞是从所有三个空间方向向内延伸的漏斗

根据广义相对论,内向引力坍缩从未停止过。即使从外面看,黑洞似乎保持不变的大小,只有当新的东西落入其中时,它的内部体积会随着空间向中心点延伸而变得越来越大。对于这种永恒增长,可以把黑洞想象成一个从代表时空结构的二维薄片向下延伸的漏斗。漏斗越来越深,因此底层的东西永远不会达到神秘的奇点。实际上,黑洞是从所有三个空间方向向内延伸的漏斗。球形边界围绕着它,称为“事件视界”,在非常巨大的重力影响下,黑洞附近的逃逸速度大于光速,使得任何光线皆不可能从事件视界内部逃脱。根据广义相对论,在远离视界的外部观察者眼中,任何从视界外部接近视界的物件,将需要用无限长的时间到达视界面,其影像会经历无止境逐渐增强的红移;但该物件本身却不会感到任何异常,并会在有限时间之内穿过视界。

从20世纪70年代以来,物理学家已经认识到,黑洞必定是某种量子系统,就像宇宙中的其它一切一样。爱因斯坦的理论描述的内部翘曲的时空,可能实际上是由真实的量子引力理论所描述的大量重力粒子的集体状态,称为“引力子”。在这种理论下,黑洞所有已知属性都应该追溯到这个量子系统的属性。

事实上,在1972年,以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)发现,黑洞的球形事件视界区域对应于它的“熵”。这是黑洞内所有粒子的不同可能的微观排列的数量,或者正如现代理论家所描述的那样,黑洞的信息储存能力。

两年后,贝肯斯坦的推理使得斯蒂芬·霍金意识到黑洞是有温度的,因此它们会散发热量。这种辐射导致黑洞慢慢蒸发掉,从而引发了备受争议的“黑洞信息悖论”出现。黑洞信息悖论指出,物理信息可能永久消失于黑洞中,导致许多不同的物理状态最终会变为相同的状态。这现象违反了一个科学上的宗旨,亦即原则上,由于量子决定性,一物理系统于某个时刻的完整信息会决定其它任意时刻的状态。那些看起来永远滑向中心奇点的信息怎么也消失了?

黑洞表面区域与其信息内容之间的关系使量子引力研究人员忙碌了数十年。但人们也可能会问:从量子的角度来看,其内部的增长量是多少? 苏斯金德说:“无论出于何种原因,很多人,包括我自己都非常想清楚这意味着什么。增长的是什么?这应该是黑洞物理学的主要难题之一。“

近年来,随着量子计算的兴起,物理学家获得了关于黑洞等物理系统的新见解 。这个角度使苏斯金德和他的合作者找到了黑洞数量特性不断变化的可能原因,这是它们不断增长的体积的基础。

苏斯金德认为,正在发生变化的是黑洞的“复杂性”。这种复杂性大致是在黑洞形成的那一刻,恢复黑洞初始量子态所需的计算次数的量度。在其形成之后,当黑洞内的粒子彼此相互作用时,关于它们的初始状态的信息变得越来越混乱。因此,它们的复杂性不断增加

使用代表黑洞作为全息图的玩具模型,苏斯金德和他的合作者已经证明,黑洞的复杂性和体积都以相同的速度增长。

加州理工学院的理论物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)也使用量子信息理论研究黑洞,他发现苏斯金德的提出的想法非常有趣。 他说:“这种计算复杂性的概念非常酷,这通常是计算机科学家可能想到的东西,而不是通常的物理学家的思考的角度。”

研究人员仍然对苏斯金德论文的含义感到困惑。斯坦福大学的理论学家阿隆·沃尔(Aron Wall)说:“这个理论虽然令人兴奋,但仍然相当具有推测性,可能并不正确。一个难点在于要在黑洞的背景下定义复杂性。“

新泽西州普林斯顿高级研究所黑洞专家道格拉斯·斯坦福(Douglas Stanford)认为,黑洞内部时间很长。 对于普通的量子系统来说,这是状态的复杂性。 对于一个黑洞而言,它是视界后面区域的大小。


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