黑洞会爆炸吗？挑战量子物理学的50年难题

自然缪斯文章 沉思 2024年3月14日 黑洞会爆炸吗？挑战量子物理学的50年难题 斯蒂芬·霍金发现黑洞不会永远存在，这一自相矛盾的发现对寻求统一的现实理论具有深远的、尚未解决的影响。 作者:大卫·卡斯特韦奇

斯蒂芬·霍金的开创性论文发表50年后，黑洞吞噬的信息发生了什么变化仍不清楚。致谢:EHT合作组织 事后看来，1974年3月1日发表在《自然》杂志上的一篇论文的标题以一个问号结尾似乎很有预见性:“黑洞爆炸？”斯蒂芬·霍金关于霍金辐射的里程碑式的想法刚刚满50岁。在过去的半个世纪里，越多的物理学家试图验证他的理论，越多的问题被提出——这对我们如何看待现实的运作产生了深远的影响。 从本质上讲，六年前的今天去世的霍金发现黑洞不应该是真正的黑色，因为它们不断辐射出微量的热量。这一结论来自量子物理学的基本原理，这意味着即使是空无一物的空间也远非平静。相反，空间充满了翻滚的量子场，其中成对的“虚拟”粒子不知从哪里冒出来，在正常情况下，它们几乎会在瞬间相互湮灭。 然而，在事件视界，即定义黑洞边界的球面上，会发生一些不同的事情。事件视界代表了一个无法返回的引力点，只能向内穿越，霍金意识到在那里两个虚拟粒子可以分离。其中一个落入黑洞，而另一个辐射出去，带走一些能量。结果，黑洞失去了一点点质量，收缩并发光。 意想不到的后果 霍金1974年论文的力量在于它如何结合现代物理学两大支柱的基本原理。第一个是阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论——黑洞在其中显现——将引力与时空形状联系起来，通常只在大尺度下相关。第二，量子物理学，倾向于在微观情况下出现。这两种理论似乎在数学上不相容，物理学家长期以来一直在努力寻找调和它们的方法。霍金表明，黑洞的视界是一个两种理论都必须发挥作用的罕见地方，其后果是可以计算的。 这一点很快变得显而易见。霍金辐射的随机性意味着它不携带任何信息。霍金很快意识到，这意味着黑洞会慢慢抹去任何落入黑洞的信息，无论是在黑洞最初形成时还是随后的成长过程中——这显然与量子力学定律相矛盾，量子力学定律认为信息永远不会被破坏。这个难题被称为黑洞信息悖论。 后来发现黑洞不应该是唯一产生霍金辐射的东西。原则上，任何加速穿越太空的观测者都可以从空旷的太空中接收到类似的辐射。自然界中有大量类似黑洞光芒的物质。例如，物理学家已经证明，在移动的介质中，试图向上游移动的声波的行为似乎与霍金预测的一样。一些研究人员希望这些实验能够为如何解决这一悖论提供线索。 科学赌注 20世纪90年代，黑洞信息悖论成为一场著名赌局的主题。霍金和帕萨迪纳市加州理工学院的基普·索恩一起提出，量子力学最终需要修改，以考虑霍金辐射。另一位加州理工学院的理论物理学家约翰·普雷斯基尔坚持认为，信息会以某种方式被保存下来，量子力学将得以保存。但1997年，现就职于新泽西普林斯顿高等研究院的理论物理学家胡安·马尔达西那提出了一个观点，认为霍金和索恩可能是错的。他的论文现在被引用了24000多次，甚至超过了霍金论文被引用的7000次左右。马尔达塞纳提出，宇宙——包括其中包含的黑洞——是一种全息图，是发生在平面上的事件的高维投影。平面世界上发生的一切都可以用纯量子力学来描述，因此保留了信息。

1979年10月10日，新泽西州普林斯顿，宇宙学家斯蒂芬·霍金在一次谈话中的反应。 斯蒂芬·霍金一生都在研究黑洞信息悖论。鸣谢:桑蒂·维萨里/盖蒂 从表面上看，马尔达塞纳的理论并不完全适用于我们居住的宇宙类型。此外，它没有解释信息如何逃脱黑洞的毁灭——只是说它应该以某种方式逃脱。普雷斯基尔说:“我们还没有具体掌握这种机制。”根据普雷斯基尔的说法，包括霍金在内的物理学家提出了无数种逃逸机制，但没有一种机制完全令人信服。“在那篇伟大论文发表50年后的今天，我们仍然困惑不解，”他说。（然而，马尔达塞纳的想法足以改变霍金的想法，他在2004年放弃了赌注。) 量子难题 解决信息悖论的尝试已经发展成为一个蓬勃发展的行业。其中一个备受关注的观点是，每个落入黑洞的粒子都通过量子纠缠与一个留在黑洞外的粒子联系在一起。量子纠缠是指物体即使相距很远也能共享一个量子状态的能力。这种联系可以在时空几何中表现为一个“虫洞”，将事件视界内部与外部连接起来。 纠缠也是量子计算机可能比经典计算机更强大的关键特征之一。此外，在过去十年中，黑洞和信息论之间的联系变得更加紧密，因为普雷斯基尔和其他人研究了全息投影中发生的事情与为量子计算机开发的纠错算法类型之间的相似性。纠错是一种存储冗余信息的方式，使计算机（无论是经典计算机还是量子计算机）能够恢复损坏的信息。一些研究人员将量子计算理论视为解决霍金悖论的关键。当创造一个黑洞时，宇宙可能会类似地存储其信息的几个版本——一些在视界内，一些在视界外——因此黑洞的毁灭不会抹去任何历史。 但其他研究人员认为，信息悖论的完全解决可能要等到另一个大问题得到解决——即协调引力和量子物理学。霍金几乎直到去世都在研究这个问题，但没有明确的结果。 至于霍金论文的标题，看到实际的黑洞爆炸是天文学家认真对待的一种可能性。大黑洞的行为就像非常冷的天体，但较小的黑洞更热，这使它们收缩得更快；它们释放的粒子应该变得越来越有能量，当黑洞消失时达到顶点。霍金表明，“普通”恒星质量黑洞是大质量恒星在生命末期塌缩时形成的，它需要比宇宙年龄长许多倍的时间才能达到这一点。但是，原则上讲，质量较小的黑洞可能是在大爆炸后的最初时刻由物质密度的随机波动形成的。如果一个质量合适的原始黑洞在太阳系附近的某个地方消失了，它可能会被中微子和γ射线天文台发现。 到目前为止，天文学家还没有看到任何黑洞爆炸，但他们仍在观望。这样的观察肯定会为霍金赢得一生未能获得的诺贝尔奖。事实上，由他简单、好奇的论文标题产生的问题似乎将在未来几年内滋养宇宙学和物理学之间的交集。https://doi.org/10.1038/d41586-024-00768-4参考 1.霍金，《自然》248卷30-31页（1974年）。 文章 谷歌学术 2.霍金，物理学评论D 14，2460-2473（1976年）。 文章 谷歌学术 3.乌鲁，w . g . phys rev . D . 14，870-892（1976年）。 文章 谷歌学术 4.马尔达塞纳，法律顾问。数学。物理2，231-252页（1998年）。 文章 谷歌学术 5.冰立方合作。进行中。第36届国际宇宙射线大会（ICRC2019）第358卷第863条（2019年）。