研究人员在有关黑洞如何演变的棘手问题上取得了进展

研究人员在有关黑洞如何演变的棘手问题上取得了进展

如果人们有一个关于黑洞的误解，那就是没有东西能逃脱它们。正如物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）及其同事在1970年代所展示的那样，黑洞实际上会向外辐射发出微弱的光。

这种光导致一个有趣的结果是：它将能量带离黑洞。最终辐射的这种粒子会带走黑洞的热能，直至完全将黑洞蒸发并使其消失为止。

在1970年代，科学家的计算表明，这种光几乎不包含任何信息。黑洞似乎不仅是沉入其中的物体的破坏者，而且还是有关这些物体最初位置的任何信息的破坏者。

问题是根据量子力学这是不可能的事情。这是我们需要更好地理解量子引力的地方。量子力学的核心宗旨是在亚原子级研究粒子行为，即：如果您知道任何系统的当前状态，那么您将了解其过去和未来的所有知识。某种程度上，黑洞似乎正在破坏信息，根据量子物理学，这些信息是无法破坏的。这个问题今天被称为黑洞信息悖论，数十年来困扰着物理学家。

但是在过去的几年中，理论物理学家已经确定了霍金最初计算所忽略的关键部分。2019年完成的计算使科学家洞悉了这些信息将如何持续存在。

位于麻省理工学院的物理学家内塔·恩格哈特（Netta Engelhardt）与高级研究学院物理学家艾哈迈德·阿尔默里（Ahmed Almheiri）合作，他们为取得最新结果指明了方向。这项研究结果是我们需要寻求以更好地理解量子引力的地方。

佩奇曲线

在1990年代，霍金（Hawking）的前学生物理学家唐·佩奇（Don Page）第一个提示是黑洞可能不是它们原来被认为是破坏信息的人。佩奇想象出了一种黑洞类型，该黑洞吸收了量子力学波，然后以加扰的形式辐射回去。与霍金的观点不同这种黑洞遵循量子理论，假设黑洞的入射波和射出辐射组合系统是封闭的，因此系统中的任何信息都将被保留。

在Page的计算中，辐射既包含信息，又与黑洞中残留的物质相关，因此也与黑洞以后发射的辐射有关。

佩奇的研究结果就是现在所说的佩奇曲线，它描述了连接到黑洞及其辐射的信息量。该曲线随着时间的推移缓慢增加，在过程的一半处达到最大值，此时出现的所有信息与剩余的所有信息都具有尽可能的相关性，而当出现黑洞时最终下降到零，然后消失使配对不再存在。

佩奇曲线诱使物理学家几乎与原始信息悖论一样多。加州大学伯克利分校的物理学家彭宁顿说，这表明尽管物理学家仍然应该期望霍金的计算能保持很长时间，但根据其他计算，它最终会出错。

许多科学家仍在怀疑佩奇是否真的正确。佩宁说：“霍金的计算似乎非常可靠。” 为了在真正的黑洞中获得类似Page曲线的内容几乎需要非常激进的物质形式。

由内而外的黑洞

在过去的两年中物理学家已经证明黑洞的纠缠熵确实遵循Page曲线，这表明信息即使消失了也会以另一种方式存在。他们分阶段进行了分析。首先他们利用弦论的见解展示了它如何工作。然后在去年秋天发表的论文中研究人员将系绳完全切断了弦理论。

这项工作认真开始于2018年10月，当时高级研究所的艾哈迈德·阿尔姆海里（Ahmed Almheiri）制定了研究黑洞如何蒸发的理论实验时。阿尔姆海里在几位同事的支持下很快加入了对偶性这个概念，该概念最早是由1997年现任自然科学学院高级研究员胡安·马尔达塞纳（Juan Maldacena）提出的，马尔达塞纳考虑一个包围在像雪球这样边界中的宇宙。

除了周围有一堵大墙外内部基本上就像我们的宇宙一样：它具有引力，物质等。边界也是一种宇宙。它没有重力，只是表面而没有深度。但这用充满活力的量子物理学弥补了这一点，总而言之它和内部一样复杂。尽管这两个宇宙看起来不同，但它们是完美匹配的。内部的所有物体在边界处都有对应的物体。尽管主体的几何形状不同于我们自己宇宙的几何形状，但自马尔达塞纳提出以来这种对偶性一直是弦论家最喜欢的游乐场。

按照这种二重性的逻辑，如果您在主体中有一个黑洞则它的边界上有一个模拟物。因为边界是由量子物理学控制的，没有引力的复杂性所以它明确地保留了信息。黑洞也必须如此。

当研究人员着手分析宇宙中黑洞如何蒸发时，他们首先必须克服一个小问题：在广义相对论中黑洞实际上不会蒸发，辐射像高压锅中的蒸汽一样充满狭窄的空间，无论发出什么光，它最终都会被吸收。

黑洞信息悖论是否消失了？

在过去的几十年中，挑战一直是要计算爱因斯坦广义相对论的全部荣耀（或也许是完全残酷）中的Page曲线，最后要考虑重力。

现在物理学家已经做到了这一点，结果依赖于佩奇曲线的技巧，这是一种计算熵的数学方法。在计算黑洞及其辐射的熵时，物理学家需要加总该系统许多不同配置的贡献。事实证明如果仅限于一个黑洞，实际上是不可能直接进行的。

位于普林斯顿高等研究院的科研人员艾哈迈德·阿姆黑利（Ahmed Almheiri）说，如果从另一方面讲他们考虑了两个黑洞的副本，每个副本都存在于一个单独的宇宙中，并且都发出辐射，则熵相对容易计算。通过这种计算物理学家可以推断出单个黑洞与其辐射之间将存在哪些信息。在佩奇曲线中一个黑洞内部的信息可能会流入另一个黑洞的内部，并且随着时间的流逝这种信息流变得越来越重要。

回到常规宇宙中这一发现精确地提出了一个在过去十年中多次提出的想法：黑洞外的霍金辐射与里面残留的物质之间的联系中的熵实际上会影响黑洞的内部结构。正如阿尔姆海里（Almheiri）所说，可以设计对外部辐射进行操作，从而在内部产生一只薛定谔猫。

当然没有人真正知道他们要对一个现实世界中的黑洞外面的辐射做什么才能在其中制造一只薛定谔猫。最新的计算结果也没有确切地揭示出辐射黑洞产生了什么，或者它到底与辐射黑洞之间的联系如何。

在学术界大多数人都同意这理论，这是重大的进步。对阿尔姆海里来说黑洞悖论并不像从前那样严重。更重要的是准确地检查量子计算在更广泛的环境中如何工作可能会揭示出关于完整版量子引力理论如何工作的新发现。即使不是解决信息悖论的可能性也很诱人，这是很长时间以来使科学正在取得进步的方式。