7 月 20 日消息，最近基于弦論的新研究認(rèn)為，黑洞蒸散后可能會(huì)形成人類(lèi)理論上能接觸到的殘塊，或者說(shuō)一個(gè)不會(huì)被事件視界所籠罩的奇點(diǎn)。
自從史蒂芬?霍金(Stephen Hawking)發(fā)現(xiàn)黑洞會(huì)蒸散后，人們就知道黑洞可能會(huì)從宇宙中消亡。但目前科學(xué)家有關(guān)引力和量子力學(xué)的見(jiàn)解還不足以描述黑洞生命的最后時(shí)刻。
但基于弦論的新研究提出，黑洞死亡后可能會(huì)形成人類(lèi)可以接觸到的殘塊。
霍金輻射的重要性
嚴(yán)格意義上說(shuō)，黑洞并不是完全漆黑的。在愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中，所有物理定律在任何參考系中都取相同形式，在這種情況下的黑洞永遠(yuǎn)是漆黑一片，一旦形成就會(huì)一直留在那里。但在 20 世紀(jì) 70 年代，霍金使用量子力學(xué)來(lái)探索黑洞邊界附近發(fā)生的事情，也就是所謂的視界。
霍金發(fā)現(xiàn)，宇宙的量子場(chǎng)和視界的單向勢(shì)壘之間存在奇怪相互作用，為能量提供了一條從黑洞逃逸出去的通道。能量會(huì)以緩慢穩(wěn)定的輻射和粒子流從黑洞向外發(fā)散，也就是后來(lái)被稱(chēng)為霍金輻射的粒子流。隨著能量一點(diǎn)點(diǎn)逃逸，黑洞會(huì)失去質(zhì)量，從而縮小，最終完全消失。
霍金輻射造成了所謂的黑洞信息悖論?？茖W(xué)家認(rèn)為，所有關(guān)于墜入黑洞的物質(zhì)的信息都會(huì)穿過(guò)視界。但是霍金輻射本身并不攜帶任何信息。當(dāng)黑洞最終消失后，內(nèi)部所有的信息都去哪里了呢?
超越愛(ài)因斯坦
對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，黑洞信息悖論表明人類(lèi)還沒(méi)有理解某些東西。這可能是因?yàn)槿祟?lèi)不了解量子信息、引力或視界的本質(zhì)。解決黑洞信息悖論的“最簡(jiǎn)單”方法就是構(gòu)建一種超越愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的新引力理論。
科學(xué)家已經(jīng)知道，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論在黑洞中心會(huì)失效。黑洞是時(shí)空中被稱(chēng)為奇點(diǎn)的微小孔洞，那里的密度趨于無(wú)窮大。正確描述奇點(diǎn)的唯一方法是引入量子引力理論，其能夠正確預(yù)測(cè)強(qiáng)引力在極其微觀尺度上的表現(xiàn)。
不幸的是，目前科學(xué)家有關(guān)量子引力的理論見(jiàn)解匱乏。直接觀察奇點(diǎn)固然很好，但根據(jù)廣義相對(duì)論的說(shuō)法，奇點(diǎn)被鎖在黑洞的事件視界后面，人類(lèi)無(wú)法接觸到它們。
但通過(guò)研究霍金輻射過(guò)程，科學(xué)家或許能找到一條接近奇點(diǎn)的捷徑，并了解所發(fā)生的物理現(xiàn)象。當(dāng)黑洞蒸散時(shí)，它們會(huì)變得越來(lái)越小，視界也會(huì)離中心奇點(diǎn)越來(lái)越近。在黑洞生命的最后時(shí)刻，引力變得極大而黑洞本身變得極小，以至于科學(xué)家無(wú)法用現(xiàn)有理論正確進(jìn)行解釋。因此，最好的方法是引入新的引力理論。在新研究中，科學(xué)家就是用弦論對(duì)廣義相對(duì)論進(jìn)行修正。
裸奇點(diǎn)
這種修正后的理論并不一定能正確替代愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，但可以讓科學(xué)家深入研究引力在接近量子極限時(shí)會(huì)發(fā)生什么。最近，一個(gè)理論團(tuán)隊(duì)就使用所謂的愛(ài)因斯坦-膨脹-高斯-貝內(nèi)特引力理論(Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet )來(lái)研究黑洞蒸散后的最終狀態(tài)，相關(guān)論文發(fā)表在今年 5 月份的他們?cè)?5 月份發(fā)表在預(yù)印本數(shù)據(jù)庫(kù) arXiv 上。
由于用弦論對(duì)廣義相對(duì)論進(jìn)行了修正，其中有大量近似和猜測(cè)，研究小組的結(jié)果細(xì)節(jié)有些模糊，但總體上描繪出黑洞蒸散后會(huì)發(fā)生什么。
愛(ài)因斯坦-膨脹-高斯-貝內(nèi)特引力理論的一個(gè)關(guān)鍵特征是，黑洞有最小質(zhì)量，所以基于此能夠研究出當(dāng)一個(gè)不斷蒸散的黑洞開(kāi)始達(dá)到最小質(zhì)量時(shí)會(huì)發(fā)生什么。
根據(jù)理論的確切性質(zhì)和黑洞的演化進(jìn)程，黑洞蒸散過(guò)程中會(huì)留下一個(gè)微小的殘塊。這個(gè)殘塊不再有視界，所以理論上人類(lèi)可以接觸到它。雖然這個(gè)殘塊非常奇特，但至少會(huì)保留掉入原始黑洞的所有信息，從而解決霍金輻射帶來(lái)的黑洞信息悖論。
另一種可能性是，黑洞達(dá)到最小質(zhì)量，脫離視界，但仍然有一個(gè)奇點(diǎn)。在愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中，這種“裸奇點(diǎn)”似乎并不成立。但如果它們存在，將會(huì)為人類(lèi)打開(kāi)進(jìn)入量子引力領(lǐng)域的大門(mén)。
目前還不清楚愛(ài)因斯坦-膨脹-高斯-貝內(nèi)特引力理論是否是人類(lèi)通往量子引力的有效路徑。但這種研究有助于物理學(xué)家解釋黑洞這種宇宙中最復(fù)雜的場(chǎng)景。
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