黑洞是从所有三个空间方向向内延伸的漏斗
李奥纳特苏士侃是弦理论和全息原理的先驱。在过去的半个世纪里,他还提出了其他重要的物理学思想。现在,他为一个重要的黑洞难题提供了答案。
令人困惑的是,黑洞作为神秘而不可见的球体,从外部看保持恒定的大小,但它们的内部体积基本上是永远增长的。这怎么可能?
斯坦福大学78岁的教授Susskind和他的研究合作者在最近的一系列论文和演讲中提出,黑洞的体积正在增加,因为它们的复杂性在稳步增加。虽然这一观点尚未得到验证,但它促使人们思考黑洞内部的引力是否具有量子特性。
黑洞是一个具有巨大引力的球形区域,即使光也无法从中逃逸。一个世纪前,爱因斯坦的广义相对论首次预言了黑洞的存在。从那以后,科学家们在宇宙中的任何地方都发现了黑洞。(黑洞通常是由死星向内引力坍缩形成的。)
爱因斯坦的理论将引力的作用等同于时空的曲率(即宇宙的四维结构),但黑洞中的引力是如此之强,以至于时空结构弯曲到——的极限,也就是黑洞中心密度无限大的“奇点”。
根据广义相对论,黑洞向内的引力坍缩永远不会停止。虽然从外部看,黑洞似乎保持不变的大小,只有当有新的东西落入其中时才会稍微膨胀,但随着空间向中心延伸,它的内部体积总是在增加。
简单想象一下这张永恒增长的图片,我们可以把黑洞想象成一个从二维平面(代表时空结构)向下延伸的漏斗。漏斗越来越深,以至于落入其中的东西永远不会触及底部神秘的奇点。
实际上,黑洞是从所有三个空间方向向内延伸的漏斗。黑洞周围的球形边界被称为“事件视界”,任何东西进入其中都没有回头路。
至少从20世纪70年代开始,物理学家已经意识到黑洞一定是某种量子系统,就像宇宙中的一切一样。
爱因斯坦理论描述的黑洞内部的扭曲时空,可能是大量引力粒子的集体状态,它们是量子引力理论描述的“引力子”。在这种情况下,黑洞的所有已知特征都应该可以追溯到这个量子系统的特征。
事实上,1972年,以色列物理学家雅各布贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)发现,黑洞球形事件视界所占据的面积与其“熵”相对应。这是黑洞中所有粒子的所有可能微观排列的数量,或者如现代理论物理学家所描述的,熵是黑洞储存信息的能力。
伯恩斯坦的洞察力使斯蒂芬霍金在两年后意识到黑洞是有温度的,所以它会辐射热量。这种辐射会导致黑洞慢慢蒸发,从而引发了被广泛讨论的“黑洞信息悖论”,这就提出了一个问题:掉进黑洞的信息怎么了?
量子力学说宇宙保留了所有关于过去的信息。但是关于下落物质的信息呢?他们似乎永远坠入中心奇点。它们也蒸发了吗?
黑洞表面积与其信息含量的关系,让量子引力领域的研究人员忙了几十年,但有人可能会问:从量子力学的角度来看,黑洞内部不断增长的体积对应的是什么?“不管是什么原因,没有人真正想过这意味着什么,这么多年来我也是如此。”苏斯金说:“到底是什么在生长?这应该是黑洞物理学中的一个主要难题。”
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