整个宇宙会不会都变成黑洞？
整个宇宙会不会都变成黑洞？渥秋华
中科院物理所
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黑洞是不可见的神秘天体。从外部观察，黑洞的体积似乎保持恒定。但在内部，黑洞却一直保持生长状态。这怎么可能呢？斯坦福大学教授伦纳德·萨斯坎德提出了一个解决方案，或许能够揭开黑洞的这个重要谜团。
萨斯坎德现年78岁，是弦理论、全息原理和其它重大物理学理论的开拓者。在最近的一系列论文和讲话中，萨斯坎德和同事阐述了他们的猜想。他们认为黑洞内部之所以不断生长是因为复杂性稳步提升。这一观点尚未得到证实，但引发了对黑洞内部引力量子特性的新思考。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/APlyRu7KBkYKZCEPicdOlHgG2r7qJLN8ydwibJuDict3Xo24Ethknu3pLz45r0xfVBGXPKByHTLrh8CLseF8f9cOQ/640?wx_fmt=jpeg不旋转黑洞的可能外观
黑洞是一个拥有惊人引力的球形区域，甚至连光线也无法逃脱。科学家第一次发现黑洞的存在是在一个世纪前，将其作为爱因斯坦广义相对论方程式的解。在此之后，科学家又发现一系列黑洞。黑洞通常由死亡恒星在引力作用下向内塌陷形成。爱因斯坦的理论将引力等同于时空（宇宙的四维结构）扭曲。黑洞拥有超乎寻常的引力，时空结构的弯曲逼近临界点，即黑洞中央拥有无限密度的“奇点”。
根据广义相对论，引力作用下的向内塌陷永不停止。即便如此，从外部观察，黑洞的体积似乎保持恒定，只有新物质落入时才会略微膨胀，而内部体量却随着空间向中央伸展而不断增大。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/APlyRu7KBkYKZCEPicdOlHgG2r7qJLN8yLjw7Em0icHbtoqGxRbMN7sEIgw0pcNwhMNLL34QEhygsLyCN0ibIGVlw/640?wx_fmt=jpeg钱德拉X射线望远镜拍摄的天鹅座X-1，是第一个强有力的黑洞候选者
为了便于理解黑洞的内部生长，你不妨将黑洞想象成一条从两维平面（代表时空结构）向下延伸的漏斗。这个漏斗越来越深，坠落的物质永远无法抵达最底部的神秘奇点。在现实世界，黑洞是一个从三个空间方向向内延伸的“漏斗”。环绕黑洞的球形边界被称之为“事件视界”，一个不可返回点。
至少从上世纪70年代起，物理学家便认为黑洞一定是某种量子系统，就像宇宙中的其它一切事物一样。爱因斯坦理论描述的黑洞内部时空扭曲可能是海量引力子的一个集体态。在这种情况下，所有已知的黑洞特性都可以追溯到这个量子系统的特性。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/APlyRu7KBkYKZCEPicdOlHgG2r7qJLN8yOiaV07ZplR2PnCq3VmDL5rBVaGhKYZedY3icahHTr70MESibDVchNwB3A/640?wx_fmt=jpeg电脑模拟图，气云坠落银河系中央黑洞
1972年，以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦指出事件视界的面积与黑洞熵成正比。熵是黑洞内所有粒子的可能微观排列总和，或者如现代理论学家所说，熵是黑洞的信息存储容量。贝肯斯坦的洞察启发了斯蒂芬·霍金。两年后，霍金意识到黑洞有温度，会辐射热量，导致黑洞慢慢蒸发。他的理论引发了被广泛讨论的“黑洞信息悖论”。量子力学认为宇宙会保存关于过去的所有信息。坠落黑洞的物质似乎永远朝着中央奇点移动，有关这些物质的信息也会被蒸发掉吗？
黑洞表面积与信息量之间的关系让量子-引力研究人员几十年来一直处于忙碌状态。不断增长的黑洞内部容量对应量子力学的哪个方面？萨斯坎德表示：“不管出于什么原因，包括我在内，很多年来没有一个人真正思考过这个问题。黑洞内部容量不断增长究竟遵循这样的机制。这应该是黑洞物理学最大的谜团之一。”
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最近几年，随着量子计算的崛起，通过研究它们的信息处理能力，物理学家得以进一步洞察黑洞等物理系统。这种研究就是将它们当成量子计算机看待。从这个角度出发，萨斯坎德和同事找到了黑洞内部容量扩大背后的量子特性候选者——复杂性。他们认为黑洞的复杂性不断演化，需要进行大量计算才能还原黑洞形成时的量子状态。黑洞形成后，随着内部粒子之间发生交互，有关它们最初状态的信息变得愈发杂乱，导致它们的复杂性持续提高。
借助黑洞全息模型，萨斯坎德和同事发现黑洞的复杂性和容量以相同的速度增长，说明其中一个可能是“因”，另一个是“果”。根据萨斯坎德等人的研究发现，黑洞的复杂性能够以物理学允许的最快速度增长。
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加州理工学院理论物理学家约翰·普瑞斯基尔也利用量子信息理论研究黑洞。他表示萨斯坎德提出了一个很有趣的想法。“计算复杂性是一个很酷的想法，通常只有计算机科学家才会从这个角度出发，而并不在物理学家的‘魔术袋’内。对于了解广义相对论的人，他们很自然地将其与黑洞内部容量增长对应起来。”
研究人员正在思索萨斯坎德的研究所能产生的影响。斯坦福大学理论学家阿伦·瓦尔指出：“他们提出的观点虽然令人兴奋，但仍旧是一种假设，可能并不正确。”其中一大挑战是如何定义黑洞的复杂性，而后才能确定量子交互的复杂性如何产生空间容量。
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普林斯顿高等研究院的黑洞专家道格拉斯·斯坦福德表示，对于一个普通量子系统，复杂性对应的是状态。而对黑洞而言，复杂性对应的则是事件视界之外的体量。如果复杂性决定黑洞的空间容量，萨斯坎德的设想对我们了解宇宙具有重要意义。
斯坦福德说：“不仅黑洞内部随时间推移不断增长，宇宙空间也是如此。这向我们提出非常有趣的问题——宇宙学意义的空间增长是否与某些复杂性提高存在关联？宇宙的时钟或者说宇宙的演化是否与复杂性的演化存在关联？我不知道这些问题的答案。”
来源：漫步宇宙编辑：井上菌
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