作者：薩賓·霍森菲爾德 ( )
翻譯 | 彭國(guó)立
圖片來(lái)源：James O’Brien
自然界中既有天體物理黑洞，也有數(shù)學(xué)黑洞。你們聽(tīng)說(shuō)過(guò)天體物理黑洞，它們位于我們銀河系的中心，噴出熾熱的等離子體，有時(shí)它們會(huì)吞噬恒星。數(shù)學(xué)黑洞，另一方面，它們是物理學(xué)家理想實(shí)驗(yàn)的對(duì)象。它們不是由恒星的引力坍縮形成的，它們是永恒的，存在于空的宇宙中。它們可以是無(wú)限大的，也可以有完美的鏡子圍繞著它們。你可能也聽(tīng)說(shuō)過(guò)，但可能沒(méi)有注意到。
黑洞的故事始于 1916 年，當(dāng)時(shí)卡爾·史瓦西發(fā)現(xiàn)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論場(chǎng)方程的解，該解可以捕獲光。史瓦西黑洞以及此后發(fā)現(xiàn)的所有黑洞的共同特征是存在“事件視界”，即任何物體都無(wú)法逃脫的表面區(qū)域。一旦越過(guò)事件視界，你就會(huì)被黑洞永遠(yuǎn)困住。
起初，物理學(xué)家們認(rèn)為史瓦西的發(fā)現(xiàn)只是理論上的奇跡，純粹是數(shù)學(xué)上的可能性，在現(xiàn)實(shí)世界中永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。但在 1935 年，錢(qián)德拉塞卡證明，當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星耗??盡核燃料時(shí)，恒星的壓力不足以抵消引力。在這種情況下，沒(méi)有什么可以阻止恒星坍縮成黑洞。多虧了錢(qián)德拉塞卡，黑洞才成為一種科學(xué)可能性。
盡管如此，物理學(xué)家們?cè)诤艽蟪潭壬虾鲆暳撕诙?a >留學(xué)之路，他們認(rèn)為創(chuàng)造黑洞需要精心調(diào)整的初始條件，而現(xiàn)實(shí)世界中不會(huì)發(fā)生不可阻擋的引力坍縮。然而，事實(shí)恰恰相反。20 世紀(jì) 60 年代，霍金和彭羅斯證明，在一般而言，恒星坍縮可形成黑洞。他們的計(jì)算表明，大質(zhì)量、燃盡的恒星形成黑洞是常態(tài)，而非例外。
事實(shí)上，在 20 世紀(jì) 90 年代中期，對(duì)銀河系中心的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)物體（人馬座 A*），除了黑洞之外沒(méi)有其他合理的解釋。在過(guò)去的 20 年里，黑洞存在的證據(jù)黑洞的存在已經(jīng)成為無(wú)可辯駁的事實(shí)。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)星系，不僅僅是我們的銀河系，都居住著黑洞。人們觀察到這些黑洞吞噬著宇宙中的氣體和恒星，它們還充當(dāng)著引力透鏡。宇宙。它們的存在已不再存在爭(zhēng)議。
與此同時(shí)，黑洞理論也迎來(lái)了第二次生命。1972 年，雅各布·貝肯斯坦發(fā)現(xiàn)了黑洞表面積與其熵之間的關(guān)系，而熵通常與氣體有關(guān)。1974 年，霍金推斷黑洞具有溫度并蒸發(fā)，這使得熱力學(xué)與引力物理學(xué)之間的聯(lián)系更加緊密。
霍金發(fā)現(xiàn)黑洞蒸發(fā)讓理論物理學(xué)家頭疼不已，因?yàn)楹诙吹幕艚疠椛洳话魏?a href='http://www.njxqhms.com/redianxinxi/33548.html' title='美國(guó)量子信息科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析' target='_blank'>量子信息。因此，當(dāng)黑洞引力坍縮結(jié)束蒸發(fā)后，它所包含的量子信息似乎被破壞了。然而，這與量子力學(xué)中的信息守恒相沖突。
這種“黑洞信息悖論”目前是一個(gè)純粹的數(shù)學(xué)難題，因?yàn)樘祗w物理黑洞的霍金輻射溫度太低，無(wú)法觀測(cè)到。真正的黑洞要到數(shù)千億年后才會(huì)蒸發(fā)。但理論物理學(xué)家認(rèn)為解決黑洞信息悖論將深化人們對(duì)空間和時(shí)間量子本質(zhì)的理解，從而有助于找到“量子引力”理論。解決黑洞信息悖論是量子引力理論必須滿足的標(biāo)準(zhǔn)。
由于我們無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中研究黑洞，理論物理學(xué)家使用理想實(shí)驗(yàn)來(lái)了解穿過(guò)黑洞事件視界的粒子的命運(yùn)。這些理想實(shí)驗(yàn)非常抽象。觀察者沒(méi)有質(zhì)量，探測(cè)器不需要校準(zhǔn)，并且黑洞周?chē)鷽](méi)有旋轉(zhuǎn)的氣體。在這些理想條件下，理論家們?cè)噲D計(jì)算掉入黑洞的單個(gè)量子比特會(huì)發(fā)生什么。從這些計(jì)算中，他們了解到黑洞是量子信息的熟練玩偶，能夠比任何其他已知系統(tǒng)更好地散射和擾亂量子比特。
豐富的數(shù)學(xué)知識(shí)帶來(lái)了更多令人驚奇的見(jiàn)解，例如愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，它適用于任意數(shù)量的時(shí)空維度。理論物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，維度越高，黑洞的類(lèi)型就越多。在三維空間中中，我們只有球形黑洞。然而霍森菲爾德物理學(xué)家，在四維或更高維度中，我們可以有環(huán)狀黑洞、棒狀黑洞，黑洞可以有多個(gè)不相連的事件視界，比如幾個(gè)環(huán)，或者一個(gè)環(huán)圍繞一個(gè)球體——“黑色土星”。
弦理論家更喜歡研究宇宙常數(shù)為負(fù)的宇宙中的黑洞（所謂的反德西特時(shí)空）。我們實(shí)際生活的宇宙有一個(gè)正的宇宙常數(shù)，但如果宇宙常數(shù)為負(fù)，那么黑洞可以是無(wú)限長(zhǎng)的平面。除了更高維度和負(fù)宇宙常數(shù)之外，理論物理學(xué)家也喜歡永恒的黑洞，他們通過(guò)假設(shè)等量的物質(zhì)來(lái)平衡黑洞霍金輻射造成的質(zhì)量損失。
我們永遠(yuǎn)無(wú)法在現(xiàn)實(shí)宇宙中觀察到這些高度抽象的條件，但理論物理學(xué)家認(rèn)為，對(duì)具有負(fù)宇宙常數(shù)的時(shí)空中黑洞的數(shù)學(xué)觀測(cè)將產(chǎn)生超越天文學(xué)的意義。1997 年霍森菲爾德物理學(xué)家，胡安·馬爾達(dá)西那 (Juan ) 提出了一個(gè)猜想，數(shù)學(xué)此類(lèi)時(shí)空中的黑洞描述了強(qiáng)相互作用粒子的集合。
這些是您可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)的數(shù)學(xué)黑洞：它們是弦理論家模擬夸克膠子等離子體或“奇異”金屬行為的方式（之所以這樣稱(chēng)呼，是因?yàn)樗鼈兒茈y用普通的數(shù)學(xué)方法來(lái)解釋?zhuān)Ｔ谧罱陌l(fā)展中數(shù)學(xué)黑洞已被用來(lái)研究某些量子系統(tǒng)中的混沌或復(fù)雜性。這些計(jì)算是否有效還有待觀察。但它們無(wú)疑為理論物理學(xué)的數(shù)學(xué)工具箱增添了新工具，誰(shuí)知道呢，也許有一天我們會(huì)發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)這種方式解決的問(wèn)題。
數(shù)學(xué)黑洞讓理論物理學(xué)家找到了曾經(jīng)被認(rèn)為毫無(wú)關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域之間的聯(lián)系：熱力學(xué)、引力物理學(xué)、量子信息和凝聚態(tài)物理學(xué)。這些領(lǐng)域的研究成果可能有助于發(fā)展量子引力理論或?qū)е滦碌念A(yù)測(cè)特定流體行為的方法。但這些研究與黑洞的天體物理學(xué)研究基本無(wú)關(guān)——黑洞的形成、分布、噴流及其相互融合的問(wèn)題。換句話說(shuō)，如何解釋觀測(cè)結(jié)果的問(wèn)題。
本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“Naz摘星星”，發(fā)表于飯鋪時(shí)稍作修改，原文譯自：黑洞的一生。
