作者：薩賓·霍森菲爾德 ( )
翻譯 | 彭國立
圖片來源：James O’Brien
自然界中既有天體物理黑洞，也有數學黑洞。你們聽說過天體物理黑洞，它們位于我們銀河系的中心，噴出熾熱的等離子體，有時它們會吞噬恒星。數學黑洞，另一方面，它們是物理學家理想實驗的對象。它們不是由恒星的引力坍縮形成的，它們是永恒的，存在于空的宇宙中。它們可以是無限大的，也可以有完美的鏡子圍繞著它們。你可能也聽說過，但可能沒有注意到。
黑洞的故事始于 1916 年，當時卡爾·史瓦西發現了愛因斯坦廣義相對論場方程的解，該解可以捕獲光。史瓦西黑洞以及此后發現的所有黑洞的共同特征是存在“事件視界”，即任何物體都無法逃脫的表面區域。一旦越過事件視界，你就會被黑洞永遠困住。
起初，物理學家們認為史瓦西的發現只是理論上的奇跡，純粹是數學上的可能性，在現實世界中永遠不會發生。但在 1935 年，錢德拉塞卡證明，當一顆大質量恒星耗??盡核燃料時，恒星的壓力不足以抵消引力。在這種情況下，沒有什么可以阻止恒星坍縮成黑洞。多虧了錢德拉塞卡，黑洞才成為一種科學可能性。
盡管如此，物理學家們在很大程度上忽視了黑洞留學之路，他們認為創造黑洞需要精心調整的初始條件，而現實世界中不會發生不可阻擋的引力坍縮。然而，事實恰恰相反。20 世紀 60 年代，霍金和彭羅斯證明，在一般而言，恒星坍縮可形成黑洞。他們的計算表明，大質量、燃盡的恒星形成黑洞是常態，而非例外。
事實上，在 20 世紀 90 年代中期，對銀河系中心的觀測發現了一個物體（人馬座 A*），除了黑洞之外沒有其他合理的解釋。在過去的 20 年里，黑洞存在的證據黑洞的存在已經成為無可辯駁的事實。天文學家發現，絕大多數星系，不僅僅是我們的銀河系，都居住著黑洞。人們觀察到這些黑洞吞噬著宇宙中的氣體和恒星，它們還充當著引力透鏡。宇宙。它們的存在已不再存在爭議。
與此同時，黑洞理論也迎來了第二次生命。1972 年，雅各布·貝肯斯坦發現了黑洞表面積與其熵之間的關系，而熵通常與氣體有關。1974 年，霍金推斷黑洞具有溫度并蒸發，這使得熱力學與引力物理學之間的聯系更加緊密。
霍金發現黑洞蒸發讓理論物理學家頭疼不已，因為黑洞的霍金輻射不包含任何量子信息。因此，當黑洞引力坍縮結束蒸發后，它所包含的量子信息似乎被破壞了。然而，這與量子力學中的信息守恒相沖突。
這種“黑洞信息悖論”目前是一個純粹的數學難題，因為天體物理黑洞的霍金輻射溫度太低，無法觀測到。真正的黑洞要到數千億年后才會蒸發。但理論物理學家認為解決黑洞信息悖論將深化人們對空間和時間量子本質的理解，從而有助于找到“量子引力”理論。解決黑洞信息悖論是量子引力理論必須滿足的標準。
由于我們無法在實驗室中研究黑洞，理論物理學家使用理想實驗來了解穿過黑洞事件視界的粒子的命運。這些理想實驗非常抽象。觀察者沒有質量，探測器不需要校準，并且黑洞周圍沒有旋轉的氣體。在這些理想條件下，理論家們試圖計算掉入黑洞的單個量子比特會發生什么。從這些計算中，他們了解到黑洞是量子信息的熟練玩偶，能夠比任何其他已知系統更好地散射和擾亂量子比特。
豐富的數學知識帶來了更多令人驚奇的見解，例如愛因斯坦的廣義相對論，它適用于任意數量的時空維度。理論物理學家發現，維度越高，黑洞的類型就越多。在三維空間中中，我們只有球形黑洞。然而霍森菲爾德物理學家，在四維或更高維度中，我們可以有環狀黑洞、棒狀黑洞，黑洞可以有多個不相連的事件視界，比如幾個環，或者一個環圍繞一個球體——“黑色土星”。
弦理論家更喜歡研究宇宙常數為負的宇宙中的黑洞（所謂的反德西特時空）。我們實際生活的宇宙有一個正的宇宙常數，但如果宇宙常數為負，那么黑洞可以是無限長的平面。除了更高維度和負宇宙常數之外，理論物理學家也喜歡永恒的黑洞，他們通過假設等量的物質來平衡黑洞霍金輻射造成的質量損失。
我們永遠無法在現實宇宙中觀察到這些高度抽象的條件，但理論物理學家認為，對具有負宇宙常數的時空中黑洞的數學觀測將產生超越天文學的意義。1997 年霍森菲爾德物理學家，胡安·馬爾達西那 (Juan ) 提出了一個猜想，數學此類時空中的黑洞描述了強相互作用粒子的集合。
這些是您可能聽說過的數學黑洞：它們是弦理論家模擬夸克膠子等離子體或“奇異”金屬行為的方式（之所以這樣稱呼，是因為它們很難用普通的數學方法來解釋）。在最近的發展中數學黑洞已被用來研究某些量子系統中的混沌或復雜性。這些計算是否有效還有待觀察。但它們無疑為理論物理學的數學工具箱增添了新工具，誰知道呢，也許有一天我們會發現可以通過這種方式解決的問題。
數學黑洞讓理論物理學家找到了曾經被認為毫無關聯的領域之間的聯系：熱力學、引力物理學、量子信息和凝聚態物理學。這些領域的研究成果可能有助于發展量子引力理論或導致新的預測特定流體行為的方法。但這些研究與黑洞的天體物理學研究基本無關——黑洞的形成、分布、噴流及其相互融合的問題。換句話說，如何解釋觀測結果的問題。
本文轉載自微信公眾號“Naz摘星星”，發表于飯鋪時稍作修改，原文譯自：黑洞的一生。
