廣義相對論中的黑洞可能是弦理論中的弦球

萬象經驗 發佈 2022-05-22T23:41:11.520747+00:00

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們,如果物質的密度足夠大,最終的引力坍縮是不可避免的。但黑洞理論也有問題,在中心奇點處,已知的物理定律崩潰了,廣義相對論與量子力學發生了不可調和的衝突。

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們,如果物質的密度足夠大,最終的引力坍縮是不可避免的。物質應該收縮到一個無限密度的點——奇點,並被一個連光都無法逃脫的事件視界所包圍。我們在宇宙的許多地方都觀察到了這些黑洞,它們是無可辯駁的證據。

但黑洞理論也有問題,在中心奇點處,已知的物理定律崩潰了,廣義相對論與量子力學發生了不可調和的衝突。在事件視界處也有一個問題,一方面廣義相對論認為,落入黑洞的物質的任何信息都不應該在表面被觀察到;另一方面,如果我們計算黑洞的信息量,會得到驚人的數字。黑洞會隨著霍金輻射而蒸發,如果黑洞最終消失,其巨大的信息量也會消失,這違反了量子信息守恆定律。這種在無毛黑洞中擦除量子信息的威脅是黑洞信息悖論。

當我們在物理學中看到了一個明顯的悖論時,它確實是一個線索,指出了我們理解上的差距,解決這個悖論可以引導我們獲得新的知識。我們之前已經討論過很多種解決黑洞悖論的方案,今天我們將使用先進的量子引力理論——弦理論來解決黑洞悖論。

黑洞弦理論

在弦理論中,所有基本粒子都是一維弦中的振動,它們本身嵌入在複雜的多維時空中。弦理論立即解決了黑洞奇點的問題,因為它不是將所有黑洞的質量坍縮成一個點,而是分布在這些弦的環結構周圍。失去了那個令人討厭的無限密度,我們就可以重新開始理解物理了。

事實證明,弦理論也可以解釋黑洞事件視界,邁向這一目標的第一步是在1996年,當時安特魯·施特羅明格和卡姆朗·瓦法使用弦理論創造了一個理論上的黑洞。他們找到了一種方法來計算視界上的微觀狀態——弦論本身和稱為D膜的更高維結構,計算結果與黑洞熵的貝肯斯坦公式完全一致。很難相信這僅僅是一個巧合,他們似乎發現了在事件視界上對信息進行編碼的機制。弦理論中的無窮小弦和膜可能類似於在充滿空氣的房間中儲存熵的分子。

應該補充一點,他們這個計算是針對具有4個空間維度的黑洞視界,雖然這種情況有點不切實際,但這是決定性的一步,它給了我們一個信服的理由來認為弦理論可以解釋黑洞的微觀狀態存在哪裡。

但為了解決信息悖論,我們仍然必須在黑洞蒸發時將其從黑洞中取出。在施特羅明格-瓦法的計算結果後一年,俄亥俄州立大學的薩米爾·馬瑟深入研究了該模型,看看它是否可以再現超出熵的黑洞特性,他做到了。例如,弦發射的輻射輪廓與傳統的霍金輻射精確匹配,這是另一個驚人的理論匹配,也是弦狀黑洞泄漏信息的一種方式。

弦球

雖然這些理論看上去很不錯,但這些黑洞是什麼樣子的?它們是如何形成的?事件視界是如何支撐這些結構的?為此,我們需要最終了解弦球的概念。

在探索弦狀黑洞時,薩米爾·馬圖爾發現形成黑洞的弦會隨著引力強度的增加而增大。事實上,如果有一串足夠密集的弦,可以在廣義相對論中形成一個黑洞,但它實際上不會坍縮。相反,它會成長為與經典黑洞具有相同半徑的弦的聚集體。如果這是正確的,那麼黑洞根本就沒有一個空的視界,而是一個真實的表面,看起來像一個纏結弦和膜的模糊表面。

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