來(lái)源：造就

　　倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）是弦理論和全息原理的先驅(qū)，他在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)中，還提出了其他一些重要的物理學(xué)思想。如今，他又為一個(gè)重要的黑洞謎題提供了解答。這個(gè)謎題就是，黑洞作為一種神秘、不可見(jiàn)的球體，盡管從外部看保持著恒定的大小，但它們的內(nèi)部體積卻基本上是在永遠(yuǎn)保持增長(zhǎng)，這怎么可能呢？

　　在最近的一系列論文和講話中，薩斯坎德這位 78 歲的斯坦福大學(xué)教授和他的研究合作者提出，黑洞體積增長(zhǎng)是因?yàn)樗鼈兊膹?fù)雜性在穩(wěn)步增長(zhǎng)——這個(gè)觀點(diǎn)盡管未經(jīng)驗(yàn)證，但卻促使人們開(kāi)始思考，黑洞內(nèi)部的引力是否具有量子特性。

　　黑洞是引力極大的球形區(qū)域，甚至連光也無(wú)法從中逃逸。一個(gè)世紀(jì)之前，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論首次預(yù)言了黑洞的存在，此后，科學(xué)家在宇宙各處都探測(cè)到了黑洞。（黑洞通常是死亡恒星向內(nèi)發(fā)生引力坍縮形成的。）愛(ài)因斯坦的理論把引力的作用等同于時(shí)空的彎曲（即宇宙的四維結(jié)構(gòu)），但黑洞中的引力非常強(qiáng)大，以至于時(shí)空結(jié)構(gòu)彎曲到了極限——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，黑洞的內(nèi)向引力坍縮從未停止過(guò)。盡管從外部看上去，黑洞似乎保持著恒定的大小，只會(huì)在新的東西落入其中時(shí)稍稍擴(kuò)大，但隨著空間朝向中心點(diǎn)伸展，它的內(nèi)部體積卻時(shí)刻在增大。要簡(jiǎn)單地想象一下這種永恒增長(zhǎng)的圖景，我們可以把黑洞想象成一個(gè)從二維平面（它代表的是時(shí)空結(jié)構(gòu)）向下延伸的漏斗。漏斗越來(lái)越深，這樣，落入其中的東西永遠(yuǎn)不會(huì)碰到底部那個(gè)神秘的奇點(diǎn)。實(shí)際上，黑洞是一個(gè)從所有三個(gè)空間方向向內(nèi)延伸的漏斗。圍繞著黑洞的球形邊界被稱為“事件視界”，任何東西進(jìn)入其中就再?zèng)]有回頭路。

　　至少?gòu)纳鲜兰o(jì) 70 年代開(kāi)始，物理學(xué)家就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，黑洞必然是某種類型的量子系統(tǒng)，就像宇宙中的萬(wàn)事萬(wàn)物一樣。愛(ài)因斯坦理論所描述的黑洞內(nèi)部翹曲時(shí)空，可能是大量引力粒子的的集體狀態(tài)，這種粒子就是量子引力理論描述的“引力子”。這種情況下，黑洞的所有已知特性都應(yīng)該能追溯到這個(gè)量子系統(tǒng)的特性。

　　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)，黑洞球形事件視界占據(jù)的區(qū)域?qū)?yīng)于它的“熵”。這是黑洞內(nèi)全部粒子所有可能的微觀排列方式的數(shù)量，或者就像現(xiàn)代理論物理學(xué)家描述的那樣，熵是黑洞存儲(chǔ)信息的能力。

　　貝肯斯坦的見(jiàn)解讓史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在兩年后認(rèn)識(shí)到，黑洞是有溫度的，因此它會(huì)輻射出熱量。這種輻射會(huì)導(dǎo)致黑洞慢慢蒸發(fā)掉，這引出了廣受熱議的“黑洞信息悖論”，該悖論提出了一個(gè)疑問(wèn)：那些落入黑洞的信息發(fā)生了什么？量子力學(xué)稱，宇宙保留了有關(guān)過(guò)去的所有信息。但那些下落物質(zhì)的信息呢？它們似乎在永遠(yuǎn)地落向中心奇點(diǎn)，難道也蒸發(fā)掉了嗎？

　　黑洞表面區(qū)域與其信息內(nèi)容之間的關(guān)系，讓量子引力領(lǐng)域的研究人員忙活了幾十年，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)的是什么呢？“不管出于何種原因，沒(méi)有人真正想過(guò)那意味著什么，這么多年來(lái)，我也是如此。”薩斯坎德說(shuō)，“到底是什么東西在不斷增長(zhǎng)？這本應(yīng)成為黑洞物理學(xué)的一個(gè)主要謎題。”

　　斯坦福大學(xué)理論物理學(xué)教授倫納德·薩斯坎德在位于加州帕洛阿爾托的家中

　　近年來(lái)，隨著量子計(jì)算的興起，物理學(xué)家通過(guò)研究黑洞的信息處理能力（就好像它們是量子計(jì)算機(jī)一樣），獲得了有關(guān)這些物理系統(tǒng)的新見(jiàn)解。這個(gè)視角讓薩斯坎德及其合作者找到了一個(gè)候選對(duì)象，來(lái)描述黑洞不斷變化的量子特性，正是這種特性，導(dǎo)致了黑洞的內(nèi)部體積持續(xù)增長(zhǎng)。他們提出，發(fā)生變化的是黑洞的“復(fù)雜性”——這大致衡量的是恢復(fù)黑洞初始量子狀態(tài)（黑洞形成時(shí)）所需的計(jì)算量。黑洞形成后，隨著內(nèi)部粒子相互作用，關(guān)于其初始狀態(tài)的信息變得越來(lái)越混亂。其結(jié)果就是，黑洞的復(fù)雜性不斷增長(zhǎng)。

　　薩斯坎德團(tuán)隊(duì)利用簡(jiǎn)化模型，將黑洞以全息圖形式呈現(xiàn)，由此證明，黑洞的復(fù)雜性和體積都以相同的速率增長(zhǎng)，從而為這樣一個(gè)觀點(diǎn)提供了支持，即黑洞的復(fù)雜性和體積也許是互為支撐的。而且，鑒于貝肯斯坦已計(jì)算得出，黑洞會(huì)存儲(chǔ)其表面區(qū)域所允許的最大信息量，薩斯坎德的研究表明，黑洞的復(fù)雜性會(huì)以物理定律所允許的最快速度不斷增長(zhǎng)。

　　加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家約翰·普瑞斯基爾（John Preskill）同樣也在利用量子信息理論來(lái)研究黑洞，他認(rèn)為，薩斯坎德的想法很有趣。“這種計(jì)算復(fù)雜性的概念在很大程度上是計(jì)算機(jī)科學(xué)家可能想到的東西，通常不是物理學(xué)家能玩得轉(zhuǎn)的。”普瑞斯基爾說(shuō)，“而它也許對(duì)應(yīng)于黑洞的某個(gè)特性——了解廣義相對(duì)論的人都能很自然地想到這種特性——這一點(diǎn)真的很酷。”這種特性指的就是黑洞內(nèi)部的增長(zhǎng)。

　　對(duì)于薩斯坎德理論的含義，研究人員仍然感到困惑不解。斯坦福大學(xué)理論物理學(xué)家阿隆·沃爾（Aron Wall）說(shuō)，“這個(gè)提法固然令人興奮，但在很大程度上仍然屬于推測(cè)，也許并不正確。”沃爾表示，為了闡明量子相互作用的復(fù)雜性是如何跟空間體積對(duì)應(yīng)起來(lái)的，挑戰(zhàn)之一是要在黑洞的語(yǔ)境下定義復(fù)雜性。

　　普林斯頓高等研究院的黑洞專家道格拉斯·斯坦福（Douglas Stanford）指出，一個(gè)潛在的教益是，“黑洞擁有某種內(nèi)部時(shí)鐘，它的時(shí)間走得非常非常慢。對(duì)于一個(gè)普通的量子系統(tǒng)，那是狀態(tài)的復(fù)雜性。而對(duì)于黑洞，那是視界后面區(qū)域的大小。”

　　假如復(fù)雜性確實(shí)是黑洞內(nèi)部空間體積的基礎(chǔ)，薩斯坎德預(yù)見(jiàn)，這將對(duì)我們對(duì)宇宙學(xué)的理解產(chǎn)生影響。“不僅是黑洞內(nèi)部會(huì)隨著時(shí)間推移而增長(zhǎng)，宇宙學(xué)的空間也會(huì)隨著時(shí)間推移而增長(zhǎng)。”他說(shuō)，“宇宙學(xué)空間增長(zhǎng)是否跟某種類型的復(fù)雜性增長(zhǎng)存在關(guān)聯(lián)，我覺(jué)得這是一個(gè)非常有意思的問(wèn)題。至于宇宙時(shí)鐘和宇宙演化是否也跟復(fù)雜性的演化有關(guān)，我不知道答案。”

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的为什么黑洞内部永远在增长？这有一个可能的量子解释的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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