为什么黑洞内部永远在增长？这有一个可能的量子解释

　　来源：造就

　　伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)是弦理论和全息原理的先驱，他在过去半个世纪中，还提出了其他一些重要的物理学思想。如今，他又为一个重要的黑洞谜题提供了解答。这个谜题就是，黑洞作为一种神秘、不可见的球体，尽管从外部看保持着恒定的大小，但它们的内部体积却基本上是在永远保持增长，这怎么可能呢?

　　在最近的一系列论文和讲话中，萨斯坎德这位78岁的斯坦福大学教授和他的研究合作者提出，黑洞体积增长是因为它们的复杂性在稳步增长——这个观点尽管未经验证，但却促使人们开始思考，黑洞内部的引力是否具有量子特性。

　　黑洞是引力极大的球形区域，甚至连光也无法从中逃逸。一个世纪之前，爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在，此后，科学家在宇宙各处都探测到了黑洞。(黑洞通常是死亡恒星向内发生引力坍缩形成的。)爱因斯坦的理论把引力的作用等同于时空的弯曲(即宇宙的四维结构)，但黑洞中的引力非常强大，以至于时空结构弯曲到了极限——也就是黑洞中心密度无限大的“奇点”。

　　根据广义相对论，黑洞的内向引力坍缩从未停止过。尽管从外部看上去，黑洞似乎保持着恒定的大小，只会在新的东西落入其中时稍稍扩大，但随着空间朝向中心点伸展，它的内部体积却时刻在增大。要简单地想象一下这种永恒增长的图景，我们可以把黑洞想象成一个从二维平面(它代表的是时空结构)向下延伸的漏斗。漏斗越来越深，这样，落入其中的东西永远不会碰到底部那个神秘的奇点。实际上，黑洞是一个从所有三个空间方向向内延伸的漏斗。围绕着黑洞的球形边界被称为“事件视界”，任何东西进入其中就再没有回头路。

　　至少从上世纪70年代开始，物理学家就已经认识到，黑洞必然是某种类型的量子系统，就像宇宙中的万事万物一样。爱因斯坦理论所描述的黑洞内部翘曲时空，可能是大量引力粒子的的集体状态，这种粒子就是量子引力理论描述的“引力子”。这种情况下，黑洞的所有已知特性都应该能追溯到这个量子系统的特性。

　　事实上，1972年，以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)发现，黑洞球形事件视界占据的区域对应于它的“熵”。这是黑洞内全部粒子所有可能的微观排列方式的数量，或者就像现代理论物理学家描述的那样，熵是黑洞存储信息的能力。

　　贝肯斯坦的见解让史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在两年后认识到，黑洞是有温度的，因此它会辐射出热量。这种辐射会导致黑洞慢慢蒸发掉，这引出了广受热议的“黑洞信息悖论”，该悖论提出了一个疑问：那些落入黑洞的信息发生了什么?量子力学称，宇宙保留了有关过去的所有信息。但那些下落物质的信息呢?它们似乎在永远地落向中心奇点，难道也蒸发掉了吗?

　　黑洞表面区域与其信息内容之间的关系，让量子引力领域的研究人员忙活了几十年，但有人可能会问：从量子力学的角度来看，黑洞内部不断增长的体积对应的是什么呢?“不管出于何种原因，没有人真正想过那意味着什么，这么多年来，我也是如此。”萨斯坎德说，“到底是什么东西在不断增长?这本应成为黑洞物理学的一个主要谜题。”

　　斯坦福大学理论物理学教授伦纳德·萨斯坎德在位于加州帕洛阿尔托的家中。

　　近年来，随着量子计算的兴起，物理学家通过研究黑洞的信息处理能力(就好像它们是量子计算机一样)，获得了有关这些物理系统的新见解。这个视角让萨斯坎德及其合作者找到了一个候选对象，来描述黑洞不断变化的量子特性，正是这种特性，导致了黑洞的内部体积持续增长。他们提出，发生变化的是黑洞的“复杂性”——这大致衡量的是恢复黑洞初始量子状态(黑洞形成时)所需的计算量。黑洞形成后，随着内部粒子相互作用，关于其初始状态的信息变得越来越混乱。其结果就是，黑洞的复杂性不断增长。

　　萨斯坎德团队利用简化模型，将黑洞以全息图形式呈现，由此证明，黑洞的复杂性和体积都以相同的速率增长，从而为这样一个观点提供了支持，即黑洞的复杂性和体积也许是互为支撑的。而且，鉴于贝肯斯坦已计算得出，黑洞会存储其表面区域所允许的信息量，萨斯坎德的研究表明，黑洞的复杂性会以物理定律所允许的最快速度不断增长。

　　加州理工学院理论物理学家约翰·普瑞斯基尔(John Preskill)同样也在利用量子信息理论来研究黑洞，他认为，萨斯坎德的想法很有趣。“这种计算复杂性的概念在很大程度上是计算机科学家可能想到的东西，通常不是物理学家能玩得转的。”普瑞斯基尔说，“而它也许对应于黑洞的某个特性——了解广义相对论的人都能很自然地想到这种特性——这一点真的很酷。”这种特性指的就是黑洞内部的增长。

　　对于萨斯坎德理论的含义，研究人员仍然感到困惑不解。斯坦福大学理论物理学家阿隆·沃尔(Aron Wall)说，“这个提法固然令人兴奋，但在很大程度上仍然属于推测，也许并不正确。”沃尔表示，为了阐明量子相互作用的复杂性是如何跟空间体积对应起来的，挑战之一是要在黑洞的语境下定义复杂性。

　　普林斯顿高等研究院的黑洞专家道格拉斯·斯坦福(Douglas Stanford)指出，一个潜在的教益是，“黑洞拥有某种内部时钟，它的时间走得非常非常慢。对于一个普通的量子系统，那是状态的复杂性。而对于黑洞，那是视界后面区域的大小。”

　　假如复杂性确实是黑洞内部空间体积的基础，萨斯坎德预见，这将对我们对宇宙学的理解产生影响。“不仅是黑洞内部会随着时间推移而增长，宇宙学的空间也会随着时间推移而增长。”他说，“宇宙学空间增长是否跟某种类型的复杂性增长存在关联，我觉得这是一个非常有意思的问题。至于宇宙时钟和宇宙演化是否也跟复杂性的演化有关，我不知道答案。”