量子力學的理想玩具模型,黑洞可以像全息投影一樣觀察

作者 | 發布日期 2020 年 06 月 08 日 10:36 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


30 年前,理論物理學家提出我們的宇宙實際上像全息投影(hologram),即目前所見宇宙是真實宇宙的投影;現在,物理學家將相同理論套用在黑洞身上。一篇新論文指出,黑洞可能將產生三維圖像的所有訊息編碼在二維表面上,如此一來就能讓黑洞的神祕熱力學性質變得更容易理解。

廣義相對論中描述的黑洞很簡單,是一個光滑、球形、不存在任何訊息的大而美物體,你只需要用數學方式描述出它們的質量、旋轉、電荷,如果有什麼東西扔進黑洞也不會產生明顯變化,因為沒有任何該事物的線索可以提供,訊息丟失。

然而根據量子物理學,如黑洞熱力學奠基人之一、以色列裔美國理論物理學家雅各布‧貝肯斯坦(Jacob Bekenstein),或英國理論物理學家史蒂芬‧霍金(Stephen Hawking)所說,黑洞也有溫度會產生某種熱輻射(霍金輻射),是現有已知最複雜的系統,它們的特徵在於巨大的熵,包含許多訊息。

隨著時間流逝,黑洞將逐漸蒸發,那麼其中包含的訊息何去何從?是真的被破壞了進而違反量子力學,還是以某種方式保留在霍金輻射中?於是乎,從弦理論中提出的全息原理(holographic principle)成為一個解決方法。該理論認為黑洞內部訊息編碼在其外部二維平面(邊界),而不是三維空間中。

在這種替代性描述中,重力「消失了」,換句話說,全息原理讓科學家可以使用不包含引力的數學語言來描述引力,從而避免與量子力學的摩擦,至少在某些理論類型的黑洞中,全息原理被證明是使計算更容易的有用數學技巧。

新研究指出,這種方法讓黑洞神秘的熱力學性質變得更容易理解:著重於預測這些物體很大的熵,並從量子力學角度對其觀察,就可以像全息投影一樣描述它們。

假如新的微觀方法能夠提供證明霍金輻射,將幫助科學家解決黑洞動力學的關鍵問題之一,並可能揭開訊息悖論的最終謎底。新論文發表在《Physical Review X》。

(首圖來源:pixabay