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整個宇宙會不會都變成黑洞?


國家空間科學中心黑洞是一種不可思議的天體,能夠在「體重」不斷增加的同時讓體積幾乎保持恆定。經過不懈研究,物理學家可能發現了其中的玄機。他們認為黑洞內部之所以不斷生長是因為複雜性穩步...

- 2018年12月20日16時26分
- 科學文摘 / 國家空間科學中心

國家空間科學中心

黑洞是一種不可思議的天體,能夠在「體重」不斷增加的同時讓體積幾乎保持恆定。經過不懈研究,物理學家可能發現了其中的玄機。他們認為黑洞內部之所以不斷生長是因為複雜性穩步提升。這一觀點尚未得到證實,但引發了對黑洞內部引力量子特性的新思考。

超大質量黑洞藝術概念圖

黑洞是不可見的神秘天體。從外部觀察,黑洞的體積似乎保持恆定。但在內部,黑洞卻一直保持生長狀態。這怎麼可能呢?史丹福大學教授倫納德·薩斯坎德提出了一個解決方案,或許能夠揭開黑洞的這個重要謎團。


薩斯坎德現年78歲,是弦理論、全息原理和其它重大物理學理論的開拓者。在最近的一系列論文和講話中,薩斯坎德和同事闡述了他們的猜想。他們認為黑洞內部之所以不斷生長是因為複雜性穩步提升。這一觀點尚未得到證實,但引發了對黑洞內部引力量子特性的新思考。

不旋轉黑洞的可能外觀

黑洞是一個擁有驚人引力的球形區域,甚至連光線也無法逃脫。科學家第一次發現黑洞的存在是在一個世紀前,將其作為愛因斯坦廣義相對論方程式的解。在此之後,科學家又發現一系列黑洞。黑洞通常由死亡恆星在引力作用下向內塌陷形成。愛因斯坦的理論將引力等同於時空(宇宙的四維結構)扭曲。黑洞擁有超乎尋常的引力,時空結構的彎曲逼近臨界點,即黑洞中央擁有無限密度的「奇點」。

根據廣義相對論,引力作用下的向內塌陷永不停止。即便如此,從外部觀察,黑洞的體積似乎保持恆定,只有新物質落入時才會略微膨脹,而內部體量卻隨著空間向中央伸展而不斷增大。

錢德拉X射線望遠鏡拍攝的天鵝座X-1,是第一個強有力的黑洞候選者


為了便於理解黑洞的內部生長,你不妨將黑洞想像成一條從兩維平面(代表時空結構)向下延伸的漏斗。這個漏斗越來越深,墜落的物質永遠無法抵達最底部的神秘奇點。在現實世界,黑洞是一個從三個空間方向向內延伸的「漏斗」。環繞黑洞的球形邊界被稱之為「事件視界」,一個不可返回點。

至少從上世紀70年代起,物理學家便認為黑洞一定是某種量子系統,就像宇宙中的其它一切事物一樣。愛因斯坦理論描述的黑洞內部時空扭曲可能是海量引力子的一個集體態。在這種情況下,所有已知的黑洞特性都可以追溯到這個量子系統的特性。

電腦模擬圖,氣雲墜落銀河系中央黑洞

1972年,以色列物理學家雅各布·貝肯斯坦指出事件視界的面積與黑洞熵成正比。熵是黑洞內所有粒子的可能微觀排列總和,或者如現代理論學家所說,熵是黑洞的信息存儲容量。貝肯斯坦的洞察啟發了史蒂芬·霍金。兩年後,霍金意識到黑洞有溫度,會輻射熱量,導致黑洞慢慢蒸發。他的理論引發了被廣泛討論的「黑洞信息悖論」。量子力學認為宇宙會保存關於過去的所有信息。墜落黑洞的物質似乎永遠朝著中央奇點移動,有關這些物質的信息也會被蒸發掉嗎?

黑洞表面積與信息量之間的關係讓量子-引力研究人員幾十年來一直處於忙碌狀態。不斷增長的黑洞內部容量對應量子力學的哪個方面?薩斯坎德表示:「不管出於什麼原因,包括我在內,很多年來沒有一個人真正思考過這個問題。黑洞內部容量不斷增長究竟遵循這樣的機制。這應該是黑洞物理學最大的謎團之一。」

電腦模擬圖,大麥哲倫星雲前方的黑洞

最近幾年,隨著量子計算的崛起,通過研究它們的信息處理能力,物理學家得以進一步洞察黑洞等物理系統。這種研究就是將它們當成量子計算機看待。從這個角度出發,薩斯坎德和同事找到了黑洞內部容量擴大背後的量子特性候選者——複雜性。他們認為黑洞的複雜性不斷演化,需要進行大量計算才能還原黑洞形成時的量子狀態。黑洞形成後,隨著內部粒子之間發生交互,有關它們最初狀態的信息變得愈發雜亂,導致它們的複雜性持續提高。

藉助黑洞全息模型,薩斯坎德和同事發現黑洞的複雜性和容量以相同的速度增長,說明其中一個可能是「因」,另一個是「果」。根據薩斯坎德等人的研究發現,黑洞的複雜性能夠以物理學允許的最快速度增長。


銀河系中央潛伏著一個超大質量黑洞

加州理工學院理論物理學家約翰·普瑞斯基爾也利用量子信息理論研究黑洞。他表示薩斯坎德提出了一個很有趣的想法。「計算複雜性是一個很酷的想法,通常只有計算機科學家才會從這個角度出發,而並不在物理學家的『魔術袋』內。對於了解廣義相對論的人,他們很自然地將其與黑洞內部容量增長對應起來。」

研究人員正在思索薩斯坎德的研究所能產生的影響。史丹福大學理論學家阿倫·瓦爾指出:「他們提出的觀點雖然令人興奮,但仍舊是一種假設,可能並不正確。」其中一大挑戰是如何定義黑洞的複雜性,而後才能確定量子交互的複雜性如何產生空間容量。

半人馬座A,內部潛伏著一個特大質量黑洞

普林斯頓高等研究院的黑洞專家道格拉斯·斯坦福德表示,對於一個普通量子系統,複雜性對應的是狀態。而對黑洞而言,複雜性對應的則是事件視界之外的體量。如果複雜性決定黑洞的空間容量,薩斯坎德的設想對我們了解宇宙具有重要意義。

斯坦福德說:「不僅黑洞內部隨時間推移不斷增長,宇宙空間也是如此。這向我們提出非常有趣的問題——宇宙學意義的空間增長是否與某些複雜性提高存在關聯?宇宙的時鐘或者說宇宙的演化是否與複雜性的演化存在關聯?我不知道這些問題的答案。」


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