黑洞：宇宙中的超级垃圾桶

弦理论学家维贾伊·巴拉萨布拉曼尼安一直致力于研究宇宙中的超级垃圾桶:黑洞。他在宾夕法尼亚大学和纽约研究生中心城市大学进行的粒子物理学研究提出了关于黑洞导致的信息损失的问题。然而，这项工作只是他极其广泛的研究领域的一个方面。他的研究涵盖了从时空结构到人类意识对“空间感”的认知的一切。在接下来的采访中，他解释了为什么黑洞实际上可能不是一个信息的无底洞。

什么是黑洞？

如果足够多的物质集中在一个小空间里，时间和空间就会弯曲，这样就没有东西可以逃脱。这种可能性是卡尔·卡尔·史瓦西在1915年首次发现的，当时他正试图解决爱因斯坦的广义相对论方程。在黑洞内部，不管你尝试和加速的方向是什么，所有未来的点都指向黑洞的奇点，这是一个由于无限扭曲而失去体积的空间区域。

黑洞会变成超级垃圾桶吗？

从经典引力理论的角度来看，是的。在爱因斯坦用来描述这个理论的方程中，你会得到一个奇怪的参数，这意味着一旦你进入，就不可能再出来。但是在奇点处，重力变得无限，所以经典的重力理论不适用。

所以量子理论变得重要了？

20世纪70年代之前，物理学家认为量子力学效应只有在奇点附近才变得重要。但是那时，理论物理学家雅各布·贝肯斯坦通过演示在黑洞视界的某些区域发现了熵。地平线是黑洞与外部宇宙的分界线。几乎与此同时，斯蒂芬·霍金写了一篇论文，认为当温度上升时，黑洞也会产生辐射。这种辐射现在被称为霍金辐射。

这种辐射是如何产生的？

在量子理论中，真空是一个气泡，其中正负粒子，如电子和它们的伙伴“正电子”，不断出现和消失。在地平线附近，一对粒子中的一个将落入黑洞，而另一个将进入外层宇宙，所以黑洞看起来像是在产生辐射。由于辐射，黑洞的能量将转移到空间，其质量将相应减少。最终，黑洞会完全蒸发。巨大的黑洞，比如我们银河系中心的那个，比宇宙时代需要更长的时间才能完全蒸发。需要的时间更少。然而，不管是哪种方式，他们实际上是把东西从这个垃圾桶拿到外面。

所以黑洞不是宇宙中真正的垃圾收集中心？

不，实际上他们仍然是。根据霍金的想象，辐射是完全随机的——黑洞发射的每个光子和另一个粒子是相互独立的，所以黑洞的信息不包括在辐射中。不管你对霍金辐射的研究有多认真，你都不可能知道到底是什么撞进了黑洞。信息丢失。

有什么问题吗？

霍金承认信息的丢失是黑洞存在的必要条件，但许多人并不满意，因为这意味着放弃量子力学的中心假设——信息永恒。为了支持这一理论，我们必须修改被广泛接受的量子理论，它实际上已经建立并表现得相当好。像爱因斯坦的相对论一样，它是20世纪物理学的两大发现之一。

有解决办法吗？

也许吧。量子理论描述粒子的微观状态，而广义相对论解释宏观时空。也许当广义相对论与量子理论相结合时，亚原子和时空的量子力学性质可以解决这个难题。爱因斯坦对重力的粗略宏观解释中缺少这些亚原子细节。

有量子理论和重力结合的迹象吗？

是的。事实上，正如物理学中经常出现的情况，它们被一对矛盾组合成一个新的方案。

20世纪90年代，当科学家们试图将量子理论和引力与弦理论结合起来时，他们有了一些惊人的发现。通过数学计算，他们发现在三维宇宙中有一类特殊的黑洞。它们只受重力支配，重力相当于没有重力的二维宇宙，但所有粒子和场都遵循量子力学定律。量子理论认为信息总是可用的，所以二维宇宙中的信息不会丢失。因为两个宇宙是相等的，所以有黑洞的三维宇宙也必须保留这一信息。但是没有人知道这到底是怎么发生的。

你认为解决办法是什么？

我认为在霍金辐射中编码与黑洞相关的信息是可能的。

在最近的一篇论文中，我和我的同事考虑了黑洞内部的一种不同的量子态。我们提出，不同量子态之间的能量差异可能非常小，以至于要花很长，几乎是无限长的时间来分析霍金辐射，并确切地知道黑洞里有什么。

因此，从这个意义上说，黑洞是一个可以持续很长时间的垃圾桶。对于比太阳重得多的黑洞来说，这个时间段将比宇宙的当前年龄长得多。因此，它们实际上是永久性的。但是当宇宙结束时，黑洞仍然会倒出它的内容并回收它们。