黑洞是從所有三個(gè)空間方向向內(nèi)延伸的漏斗

李?yuàn)W納特蘇士侃是弦理論和全息原理的先驅(qū)。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，他還提出了其他重要的物理學(xué)思想?，F(xiàn)在，他為一個(gè)重要的黑洞難題提供了答案。

令人困惑的是，黑洞作為神秘而不可見的球體，從外部看保持恒定的大小，但它們的內(nèi)部體積基本上是永遠(yuǎn)增長(zhǎng)的。這怎么可能？

斯坦福大學(xué)78歲的教授Susskind和他的研究合作者在最近的一系列論文和演講中提出，黑洞的體積正在增加，因?yàn)樗鼈兊膹?fù)雜性在穩(wěn)步增加。雖然這一觀點(diǎn)尚未得到驗(yàn)證，但它促使人們思考黑洞內(nèi)部的引力是否具有量子特性。

黑洞是一個(gè)具有巨大引力的球形區(qū)域，即使光也無(wú)法從中逃逸。一個(gè)世紀(jì)前，愛因斯坦的廣義相對(duì)論首次預(yù)言了黑洞的存在。從那以后，科學(xué)家們?cè)谟钪嬷械娜魏蔚胤蕉及l(fā)現(xiàn)了黑洞。(黑洞通常是由死星向內(nèi)引力坍縮形成的。)

愛因斯坦的理論將引力的作用等同于時(shí)空的曲率(即宇宙的四維結(jié)構(gòu))，但黑洞中的引力是如此之強(qiáng)，以至于時(shí)空結(jié)構(gòu)彎曲到——的極限，也就是黑洞中心密度無(wú)限大的“奇點(diǎn)”。

根據(jù)廣義相對(duì)論，黑洞向內(nèi)的引力坍縮永遠(yuǎn)不會(huì)停止。雖然從外部看，黑洞似乎保持不變的大小，只有當(dāng)有新的東西落入其中時(shí)才會(huì)稍微膨脹，但隨著空間向中心延伸，它的內(nèi)部體積總是在增加。

簡(jiǎn)單想象一下這張永恒增長(zhǎng)的圖片，我們可以把黑洞想象成一個(gè)從二維平面(代表時(shí)空結(jié)構(gòu))向下延伸的漏斗。漏斗越來(lái)越深，以至于落入其中的東西永遠(yuǎn)不會(huì)觸及底部神秘的奇點(diǎn)。

實(shí)際上，黑洞是從所有三個(gè)空間方向向內(nèi)延伸的漏斗。黑洞周圍的球形邊界被稱為“事件視界”，任何東西進(jìn)入其中都沒有回頭路。

至少?gòu)?0世紀(jì)70年代開始，物理學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到黑洞一定是某種量子系統(tǒng)，就像宇宙中的一切一樣。

愛因斯坦理論描述的黑洞內(nèi)部的扭曲時(shí)空，可能是大量引力粒子的集體狀態(tài)，它們是量子引力理論描述的“引力子”。在這種情況下，黑洞的所有已知特征都應(yīng)該可以追溯到這個(gè)量子系統(tǒng)的特征。

事實(shí)上，1972年，以色列物理學(xué)家雅各布貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)發(fā)現(xiàn)，黑洞球形事件視界所占據(jù)的面積與其“熵”相對(duì)應(yīng)。這是黑洞中所有粒子的所有可能微觀排列的數(shù)量，或者如現(xiàn)代理論物理學(xué)家所描述的，熵是黑洞儲(chǔ)存信息的能力。

伯恩斯坦的洞察力使斯蒂芬霍金在兩年后意識(shí)到黑洞是有溫度的，所以它會(huì)輻射熱量。這種輻射會(huì)導(dǎo)致黑洞慢慢蒸發(fā)，從而引發(fā)了被廣泛討論的“黑洞信息悖論”，這就提出了一個(gè)問(wèn)題：掉進(jìn)黑洞的信息怎么了？

量子力學(xué)說(shuō)宇宙保留了所有關(guān)于過(guò)去的信息。但是關(guān)于下落物質(zhì)的信息呢？他們似乎永遠(yuǎn)墜入中心奇點(diǎn)。它們也蒸發(fā)了嗎？

黑洞表面積與其信息含量的關(guān)系，讓量子引力領(lǐng)域的研究人員忙了幾十年，但有人可能會(huì)問(wèn)：從量子力學(xué)的角度來(lái)看，黑洞內(nèi)部不斷增長(zhǎng)的體積對(duì)應(yīng)的是什么？“不管是什么原因，沒有人真正想過(guò)這意味著什么，這么多年來(lái)我也是如此。”蘇斯金說(shuō)：“到底是什么在生長(zhǎng)？這應(yīng)該是黑洞物理學(xué)中的一個(gè)主要難題?！?

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