作者：萨宾·霍森菲尔德 ( )
翻译 | 彭国立
图片来源：James O’Brien
自然界中既有天体物理黑洞，也有数学黑洞。你们听说过天体物理黑洞，它们位于我们银河系的中心，喷出炽热的等离子体，有时它们会吞噬恒星。数学黑洞，另一方面，它们是物理学家理想实验的对象。它们不是由恒星的引力坍缩形成的，它们是永恒的，存在于空的宇宙中。它们可以是无限大的，也可以有完美的镜子围绕着它们。你可能也听说过，但可能没有注意到。
黑洞的故事始于 1916 年，当时卡尔·史瓦西发现了爱因斯坦广义相对论场方程的解，该解可以捕获光。史瓦西黑洞以及此后发现的所有黑洞的共同特征是存在“事件视界”，即任何物体都无法逃脱的表面区域。一旦越过事件视界，你就会被黑洞永远困住。
起初，物理学家们认为史瓦西的发现只是理论上的奇迹，纯粹是数学上的可能性，在现实世界中永远不会发生。但在 1935 年，钱德拉塞卡证明，当一颗大质量恒星耗尽核燃料时，恒星的压力不足以抵消引力。在这种情况下，没有什么可以阻止恒星坍缩成黑洞。多亏了钱德拉塞卡，黑洞才成为一种科学可能性。
尽管如此，物理学家们在很大程度上忽视了黑洞留学之路，他们认为创造黑洞需要精心调整的初始条件，而现实世界中不会发生不可阻挡的引力坍缩。然而，事实恰恰相反。20 世纪 60 年代，霍金和彭罗斯证明，在一般而言，恒星坍缩可形成黑洞。他们的计算表明，大质量、燃尽的恒星形成黑洞是常态，而非例外。
事实上，在 20 世纪 90 年代中期，对银河系中心的观测发现了一个物体（人马座 A*），除了黑洞之外没有其他合理的解释。在过去的 20 年里，黑洞存在的证据黑洞的存在已经成为无可辩驳的事实。天文学家发现，绝大多数星系，不仅仅是我们的银河系，都居住着黑洞。人们观察到这些黑洞吞噬着宇宙中的气体和恒星，它们还充当着引力透镜。宇宙。它们的存在已不再存在争议。
与此同时，黑洞理论也迎来了第二次生命。1972 年，雅各布·贝肯斯坦发现了黑洞表面积与其熵之间的关系，而熵通常与气体有关。1974 年，霍金推断黑洞具有温度并蒸发，这使得热力学与引力物理学之间的联系更加紧密。
霍金发现黑洞蒸发让理论物理学家头疼不已，因为黑洞的霍金辐射不包含任何量子信息。因此，当黑洞引力坍缩结束蒸发后，它所包含的量子信息似乎被破坏了。然而，这与量子力学中的信息守恒相冲突。
这种“黑洞信息悖论”目前是一个纯粹的数学难题，因为天体物理黑洞的霍金辐射温度太低，无法观测到。真正的黑洞要到数千亿年后才会蒸发。但理论物理学家认为解决黑洞信息悖论将深化人们对空间和时间量子本质的理解，从而有助于找到“量子引力”理论。解决黑洞信息悖论是量子引力理论必须满足的标准。
由于我们无法在实验室中研究黑洞，理论物理学家使用理想实验来了解穿过黑洞事件视界的粒子的命运。这些理想实验非常抽象。观察者没有质量，探测器不需要校准，并且黑洞周围没有旋转的气体。在这些理想条件下，理论家们试图计算掉入黑洞的单个量子比特会发生什么。从这些计算中，他们了解到黑洞是量子信息的熟练玩偶，能够比任何其他已知系统更好地散射和扰乱量子比特。
丰富的数学知识带来了更多令人惊奇的见解，例如爱因斯坦的广义相对论，它适用于任意数量的时空维度。理论物理学家发现，维度越高，黑洞的类型就越多。在三维空间中中，我们只有球形黑洞。然而霍森菲尔德物理学家，在四维或更高维度中，我们可以有环状黑洞、棒状黑洞，黑洞可以有多个不相连的事件视界，比如几个环，或者一个环围绕一个球体——“黑色土星”。
弦理论家更喜欢研究宇宙常数为负的宇宙中的黑洞（所谓的反德西特时空）。我们实际生活的宇宙有一个正的宇宙常数，但如果宇宙常数为负，那么黑洞可以是无限长的平面。除了更高维度和负宇宙常数之外，理论物理学家也喜欢永恒的黑洞，他们通过假设等量的物质来平衡黑洞霍金辐射造成的质量损失。
我们永远无法在现实宇宙中观察到这些高度抽象的条件，但理论物理学家认为，对具有负宇宙常数的时空中黑洞的数学观测将产生超越天文学的意义。1997 年霍森菲尔德物理学家，胡安·马尔达西那 (Juan ) 提出了一个猜想，数学此类时空中的黑洞描述了强相互作用粒子的集合。
这些是您可能听说过的数学黑洞：它们是弦理论家模拟夸克胶子等离子体或“奇异”金属行为的方式（之所以这样称呼，是因为它们很难用普通的数学方法来解释）。在最近的发展中数学黑洞已被用来研究某些量子系统中的混沌或复杂性。这些计算是否有效还有待观察。但它们无疑为理论物理学的数学工具箱增添了新工具，谁知道呢，也许有一天我们会发现可以通过这种方式解决的问题。
数学黑洞让理论物理学家找到了曾经被认为毫无关联的领域之间的联系：热力学、引力物理学、量子信息和凝聚态物理学。这些领域的研究成果可能有助于发展量子引力理论或导致新的预测特定流体行为的方法。但这些研究与黑洞的天体物理学研究基本无关——黑洞的形成、分布、喷流及其相互融合的问题。换句话说，如何解释观测结果的问题。
本文转载自微信公众号“Naz摘星星”，发表于饭铺时稍作修改，原文译自：黑洞的一生。
