作为大自然的宇宙硬盘,黑洞可以像全息图一样存储信息

作者:李彤馨/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-06-12

它能够像全息图一样,在三维空间再现黑洞的图像。

近30年前,理论物理学家引入了“全息原理”,该理论认为我们的三维宇宙其实是一幅全息图。现在,物理学家们认为黑洞的信息包含在一个二维表面内,它能够像全息图一样,在三维空间再现黑洞的图像。

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图自Gerd Altmann for PIxabay

广义相对论描述的黑洞是一个简单的对象。你只需用数学方式来描述它们的质量、自旋和电荷。因此,如果你把东西扔进黑洞,并不会有什么明显的变化——没有线索可以证明那是什么东西。物体的信息完全丢失。

但是当量子引力出现时,就产生了问题,因为量子力学的规则认为,信息永远不会被破坏。在量子力学中,黑洞是极其复杂的物体,因此应该包含了大量的信息。正如之前所报道的,Jacob Bekenstein在1974年意识到了黑洞也有温度。斯蒂芬·霍金试图证明该理论是错的,但最终也得出了黑洞肯定会产生某种热辐射的结论。

因此,黑洞还必须有熵。霍金是第一个计算熵的人,他还提出了“黑洞辐射”的概念,即黑洞会释放出少量的能量,使其质量相应减少。随着时间的推移,黑洞将蒸发。黑洞越小,消失得越快。但其中包含的信息会发生什么变化呢?

20世纪90年代,弦理论提出了全息原理。该理论认为,黑洞内部的信息可以在视界上编码,而不是在主体上。正如John Timmer在2011年所写的:

“被吸入物体的总量与黑洞视界的表面积相关。黑洞视界或许就是存储信息的地方。但是由于黑洞视界是二维表面,信息不能存储在常规物质中;相反,随着物体经过黑洞,黑洞视界形成了一个全息图,它会保存信息,当物质以霍金辐射的形式返回时,信息就恢复了。代价是信息‘极度混乱’。”

Leonard Susskind和Gerard 't Hooft将这个概念扩展到了整个宇宙,将其比作全息图。Juan Maldacena随后发现了一个关键的二元性,即看起来不相干的却可以用来描述完全相同事物的模型,就像冰、水、水蒸气是同一化学物质的三种不同形式。

“这种原则提出,在给定的空间区域中,可以用另一个系统来描述重力的行为。但该系统只存在于区域边缘,因此就会出现降维,”论文中提到,“换句话说,全系原理允许我们使用不包含重力的语言来描述重力,从而避免与量子力学的冲突。”

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理论物理学中的全息原理

图自APS/Alan Stonebraker

关于黑洞信息悖论的争论不休,与此同时,Benini和Milan等人将注意力转向对黑洞的热力学特性做出完整、明确的解释。全系原理被证明是一个有用的数学技巧,至少对于某些理论类型的黑洞,他们的计算会更容易处理。

熵计算了事物重新排列的方式,但在黑洞中,我们并不不清楚是什么东西在被重新排列。Bernini和Milan认为答案来自全息:我们可以计算熵,但不是通过观察黑洞内部,而是通过观察量子场。

“通过这种方式,黑洞的神秘热力学特征可能更容易地被理解:专注于预测这些天体的熵,并从量子力学的角度观察它们,你就可以像描述全息图一样描述它们,”作者写道,“其中有两个维度,虽然没有重力,但依旧可以在三维中再现一个物体。”

如何观察量子引力?

Benini和Milan承认,这实际上只是朝着更深入地理解黑洞的正确方向迈出的第一步,他们希望可以用可行的量子引力理论解决广义相对论和量子力学之间的冲突。2016年LIGO对引力波的突破性探测,以及事件视界望远镜去年制作的黑洞图像,都是充满希望的研究成果。

他们总结道:“在不久的将来,我们也许能够通过观测来检测我们对量子引力的理论预测。从科学的角度来看,这绝对是一件非常特别的事情。”


蝌蚪五线谱编译自arstechnica,译者李彤馨,转载须授权

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