黑洞或許有“長脖子”?研究不完的黑洞:黑洞模型和黑洞信息悖論|圈量子宇宙學2|統一之路35|AC茂的模

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“在思考信息理論的基本存在時,我有了這樣一個想法:物質來自比特。宇宙及其所包含的所有東西,可能都來自無數次測量的’是/否’的選擇結果······信息或許不僅僅是我們了解到的關於這個世界的知識,或許正是它們組成了世界。”——約翰·惠勒
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#黑洞 #奇點 #圈量子宇宙學 #科學科普
AI 生成·可能包含錯誤
再講模擬論那期
我提到過波爾欽斯基和斯特羅明格
瓦法通過地模理論推導出一種黑洞蒸發模型
他們假設存在一個更高的維度可以保存商
作爲閒論的第一個可以解釋黑洞信息悖論的模型
這一模型的建立令閒理論家們感到振奮
哪怕它只在數學宇宙中的黑洞成立
其實除了額外維度的假設外
這一推導還需要假設閒的作用強度精確爲0
對此 康倫在《爲什麼是閒論》中寫道
他們所做的這些計算能成立的世界
看起來一點都不像我們觀察到的真實世界
那麼圈量子引理論的黑洞模型又是什麼樣的呢
理論物理學家經常會收到各種各樣來路不明的郵件
講爲什麼愛因斯坦的相對論是錯的
爲什麼量子力學是錯的
暗物質暗能量的本質是啥
這些大聰明可能還會給你科普你的論文哪裏錯了
大部分物理學家收到這類郵件
一般都是直接刪除的
就像郭老師說的
我和火箭專家說
你那火箭不行 燃料不好
我認爲得燒柴 最好是燒煤
燒煤還得是精選煤 水洗煤不行
如果那科學家拿正眼看我一眼
那他就輸了
不過還真有正眼看這種郵件的科學家
1994年
羅威利在回覆了幾封向他討要論文的郵件以後
看到了一條令他意外的消息
這條消息來自一個21歲的研究生基里爾·克拉斯諾夫
他在烏克蘭基輔的伯格柳伯夫理論物理研究所讀書
發現了羅威利論文中的一個小錯誤
克拉斯諾夫自學了千量的引力論
由於他所在的研究所沒人能教他
只能完全靠自己
根據已經發表的論文來研究如何應用這一理論
他用自創的技巧將費米子偶合到引力場中
讓羅威利大爲驚訝
於是他們開始了活躍的通信
在1995年5月於華沙舉行的一場會議上
克拉斯諾夫與羅威利 斯莫林
和千量的引力理論圈的其他人見了面
等他回到基輔
就開始和羅威利嘗試用千量的引力理論來計算黑洞傷
他們意識到
千量的引力論爲傷與面積提供了一種非常直接的聯繫
傷由系統可能擁有的不同量子態的總數的對數決定
而在千量的引力論中
自旋網絡裏的連接正與量子空間態有關
由面積量子決定
面積量子又反過來與plunk長度的平方相關
在這一問題中
自旋網絡的連接比節點更重要
因爲連接能夠刺穿黑洞的事件世界
每次穿一次
就賦予世界一塊由連接所帶有的量子數決定的面積
這樣一來
只要計算給世界表面賦予一個給定面積的所有不同方式數目之和的對數
就能得到黑洞傷了
克拉斯諾夫稱之爲幾何傷
不過
在這樣計算以後
他們沒能直接得到結果
費肯斯坦霍金公式稱傷正比於面積
但克拉斯諾夫和羅威利在第一次嘗試中得到的結果
是傷正比於面積的平方根
1996年3月
克拉斯諾夫有了一個全新的思路
可以讓他得到正確的黑洞傷的表達是
他迅速在運營本網站上發表了一篇論文
羅威利看了非常激動
他立即聯繫克拉斯諾夫
提議一同撰寫論文
但克拉斯諾夫覺得自己對這個問題的理解還不成熟
因此拒絕了
於是
克拉斯諾夫和羅威利兩人在差不多同一時間分別獨立發表了對費肯斯坦霍金公式的推導
雖然兩個人的推導都得出了傷與面積關係的正確形式
但他們都覺得理論仍然有些問題
克拉斯諾夫在與基輔的一位年長同事尤里·史塔諾夫的通信中找到了靈感
1996年5月
他發表了關於黑洞傷的第二篇論文
此時他越來越擔心後蘇聯時期烏克蘭的科研經費會崩盤
在阿西提卡的幫助下
當年夏天
他來到美國賓州州立大學的引力物理學與幾何中心讀博
斯莫林曾經發展並應用了計算宇宙學世界出的傷的技巧
即把磁穿的情況通過邊界向中的世界樣例進行編碼
但他沒有意識到可以將同樣的技巧用在黑洞世界上
1997年1月
克拉斯諾夫意識到斯莫林的方法可以用來解決他與羅威利的推導遇到的難題
他很快修訂了自己的第二篇論文
克拉斯諾夫的推導包含了巴維羅伊米爾齊參數
這個參數被引入了圈量子引力理論面積譜的表述中
他的結果表明貝肯斯坦霍金公式應該是與參數選擇無關的
幾年後
意大利理論物理學家歐金尼奧·比安基證明
至少在數學上確實是這樣的
他用固定能量而非固定面積的方法來推導
得到的巴維羅伊米爾齊參數完美的相互抵消了
不過圈圈也不是所有人都認同比安基的方法
羅威利曾表示
這篇論文其實惹惱了很多人
因爲很多人對這一問題有自己的看法
歐金尼奧卻抄近路迴避了所有的方法
因此很多人都很抗拒他這篇論文的思路
但這篇論文仍然是一篇傑作
說到這裏
你可能會覺得奇怪
爲什麼現在的理論物理學家這麼喜歡研究黑洞信息悖論呢
我們可以用物理學家裏的頭號整活高手惠勒的觀點來回答這個問題
在思考信息理論的基本存在時
我有了這樣一個想法
物質來自比特
宇宙及其所包含的所有東西
可能都來自無數次測量是否的選擇結果
信息或許不僅僅是我們瞭解到的關於這個世界的知識
或許正是它們組成了世界
惠勒猜想黑洞事件世界的面積是由plunk長度平方量級的量子空間
像瓷磚一樣鋪起來的
每塊磚都代表被世界掩蓋的一個比特的信息
阿西提卡引申了惠勒的觀點
他提出支配着計量自旋網絡中刺穿事件世界的所有可能過程的量子態
對應着自旋量子數爲二分之一的自旋網絡連接
我們知道任何一個自旋量子數爲二分之一的物體
都有兩個可能的取向
分別對應於正二分之一和負二分之一
例如上下開關是否這樣兩種可能性的狀態
可以與計算機的二進制產生聯繫
或許黑洞信息悖論只是一個21世紀的之諾悖論
是廣義相對論被應用在本質上是量子的空間時人爲帶來的結果
只不過我們還沒有找到描述它的數學語言
圈量子宇宙學的大反彈模型去掉了大爆炸的起點
在圈量子引力論中
我們僅僅假設不存在一個比面積量子更小的面積
也不存在一個比體積量子更小的體積
就好像量子力學要求不存在比單個光子更小的光量一樣
這樣起點就消失了
圈量子宇宙學中的量子引力效應
尤其是導致大反彈的量子斥力
在時空曲率接近普朗克尺度的時候佔據了主導
這些現象可能發生在宇宙半徑縮小到普朗克長度的很久以前
但是這並不一定意味着黑洞不可能完全蒸發
它可能經歷一個反彈過程
或者它不會留下起點
而是會留下一個蒸發的很慢的量子區域
2014年
羅威利和維多託提出
或許黑洞並不會坍縮成核心的一個起點
而是坍縮成一個普朗克星
如果一個質量等於太陽質量的黑洞坍縮成一個普朗克星
它的半徑大約只有10的-12次方米
整個太陽的質量被壓縮到一個比原子還小的體積裏
但這個尺度比普朗克長度還要大30個數量級
隨着黑洞蒸發
它可能會產生一個很長的脖子
這樣就可以將所有的量子信息藏在世界內
防止其丟失
也許受量子引力效應的影響
黑洞並不會完全坍縮到消失
而會反彈
假設一個觀察者能站在一個普朗克星的表面上觀察
他會發現這個反彈的過程是極快的
但對於外界觀察者而言
由於引力的時間延緩效應
這一反彈的過程比宇宙如今的年齡還要長
如果真的是這樣的話
那麼黑洞周圍就會有兩個世界
在黑洞發出霍金輻射時
外面的世界會收縮
讓黑洞最終蒸發
但同樣的機制會讓普朗克星內部的世界膨脹
在這個時候
未從事件世界輻射出來的剩餘的信息可以逃脫
信息並沒有從宇宙中永久的消失
信息悖論問題也就得到了解決
理論上說黑洞也可以有比太陽小得多的恆星生成
早期宇宙中由10的12次方千克左右的質量生成的原初黑洞
如今應該已經開始蒸發
並從普朗克星放射能量了
這類黑洞在死亡時會短暫地爆發出強烈的高能輻射
它的普朗克星會放射出能量並迅速消失
這種輻射是黑洞死亡時留下的量子引力標記
迄今爲止已經有7個不同的衛星探測器
捕捉到了波長極短的伽馬射線暴的特徵信號
這些信號可能正是來自這類原初黑洞
一種可能的跡象是一種特徵性的被壓平的紅移距離曲線
正在爆炸的原初黑洞一定會變得越來越小
發射出更高頻率的輻射
這會一定程度的彌補宇宙學紅移
圈量子引力論部分的內容到這期就全部結束了
下一期我會總結一下近幾十年來
理論物理學家們發生的一些著名的論戰
感謝大家的觀看
下期見
