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黑洞是一个从所有三个空间方向向内延伸的漏斗

伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)是弦理论和全息原理的先驱,他在过去半个世纪中,还提出了其他一些重要的物理学思想。如今,他又为一个重要的黑洞谜题提供了解答。

这个谜题就是,黑洞作为一种神秘、不可见的球体,尽管从外部看保持着恒定的大小,但它们的内部体积却基本上是在永远保持增长,这怎么可能呢?

在最近的一系列论文和讲话中,萨斯坎德这位78岁的斯坦福大学教授和他的研究合作者提出,黑洞体积增长是因为它们的复杂性在稳步增长——这个观点尽管未经验证,但却促使人们开始思考,黑洞内部的引力是否具有量子特性。

黑洞是引力极大的球形区域,甚至连光也无法从中逃逸。一个世纪之前,爱因斯坦的广义相对论首次预言了黑洞的存在,此后,科学家在宇宙各处都探测到了黑洞。(黑洞通常是死亡恒星向内发生引力坍缩形成的。)

爱因斯坦的理论把引力的作用等同于时空的弯曲(即宇宙的四维结构),但黑洞中的引力非常强大,以至于时空结构弯曲到了极限——也就是黑洞中心密度无限大的“奇点”。

根据广义相对论,黑洞的内向引力坍缩从未停止过。尽管从外部看上去,黑洞似乎保持着恒定的大小,只会在新的东西落入其中时稍稍扩大,但随着空间朝向中心点伸展,它的内部体积却时刻在增大。

要简单地想象一下这种永恒增长的图景,我们可以把黑洞想象成一个从二维平面(它代表的是时空结构)向下延伸的漏斗。漏斗越来越深,这样,落入其中的东西永远不会碰到底部那个神秘的奇点。

实际上,黑洞是一个从所有三个空间方向向内延伸的漏斗。围绕着黑洞的球形边界被称为“事件视界”,任何东西进入其中就再没有回头路。

至少从上世纪70年代开始,物理学家就已经认识到,黑洞必然是某种类型的量子系统,就像宇宙中的万事万物一样。

爱因斯坦理论所描述的黑洞内部翘曲时空,可能是大量引力粒子的的集体状态,这种粒子就是量子引力理论描述的“引力子”。这种情况下,黑洞的所有已知特性都应该能追溯到这个量子系统的特性。

事实上,1972年,以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)发现,黑洞球形事件视界占据的区域对应于它的“熵”。这是黑洞内全部粒子所有可能的微观排列方式的数量,或者就像现代理论物理学家描述的那样,熵是黑洞存储信息的能力。

贝肯斯坦的见解让史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在两年后认识到,黑洞是有温度的,因此它会辐射出热量。这种辐射会导致黑洞慢慢蒸发掉,这引出了广受热议的“黑洞信息悖论”,该悖论提出了一个疑问:那些落入黑洞的信息发生了什么?

量子力学称,宇宙保留了有关过去的所有信息。但那些下落物质的信息呢?它们似乎在永远地落向中心奇点,难道也蒸发掉了吗?

黑洞表面区域与其信息内容之间的关系,让量子引力领域的研究人员忙活了几十年,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呢?“不管出于何种原因,没有人真正想过那意味着什么,这么多年来,我也是如此。”萨斯坎德说,“到底是什么东西在不断增长?这本应成为黑洞物理学的一个主要谜题。”

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