相比超出人类认知的事件视界，黑洞光子环虽然看起来复杂，却没有深刻的物理意义，因此之前并没有引起过多的关注。直到最近，科学家对光子环的态度发生了180度的转变。他们发现光子环层层嵌套的结构显示了一种特殊的共形对称性，而当共形对称与黑洞同时出现，这是否意味着光子环是黑洞全息对偶的一部分，它编码了黑洞的信息吗？
在这篇节选自《环球科学》12月新刊中原刊于西蒙斯基金会发起的Quanta Magazine的文章中，托马斯·莱顿将带着我们一睹黑洞光子环的模样，它甚至可能编码了黑洞内部的信息。
撰文｜托马斯·莱顿（Thomas Lewton）翻译｜吴孟和审校｜凌意
当光子快速冲向黑洞时，绝大多数光子都会陷入两种命运：要么掉入黑洞深处，根本无法逃离，要么稍稍偏转方向，擦身飞离黑洞。然而，也会有极少数光子绕过黑洞，进行一系列剧烈的U型转弯。这其中的一部分光子几乎会永远绕着黑洞旋转。
由光子在黑洞周围形成的光子轨道环是自然界中最奇怪的现象之一，天体物理学家将它描述为“宇宙摄像机”或“无限光阱”。如果能探测到这些光子，我们会看到宇宙中每一个物体重复出现无限多次。
但是，不同于黑洞标志性的事件视界——在这个边界内的引力极强，没有任何物质能从中逃脱——在更远处围绕黑洞运行的光子环从未受到理论物理学家太多的关注。当然，对于事件视界的研究是很重要的，因为它标志着人类认知宇宙的边界。正如阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论所描述的那样，在宇宙中的绝大部分区域，引力会使时空发生弯曲。但在黑洞内部，时空弯曲得是如此厉害，导致广义相对论都不再适用。因此，为了更加切实地描述量子引力，理论物理学家一直将目光聚焦于黑洞事件视界来寻找答案。
“我曾经认为事件视界是我们真正需要理解的东西，而光子环只是某种复杂却无足轻重的现象，它并没有任何深刻的物理意义。”美国哈佛大学研究黑洞和量子引力的顶尖理论物理学家，安德鲁·施特罗明格（Andrew Strominger）说道。然而，现在施特罗明格对光子环的态度发生了180度的转变。
在今年5月份发布于预印本网站，最近又发表于《经典引力和量子引力》（Classical and Quantum Gravity）的一篇论文中，施特罗明格和他的合作者表示，旋转黑洞周围环绕的光子环具有一种出乎意料的对称性——一种进行共形变换（一种保持角度和无穷小物体的形状不变，但不一定保持尺寸不变的变换）后仍能保持不变的性质。这种对称性表明，光子环可能编码了黑洞量子结构的信息。施特罗明格意识到，“这种对称性可能与理解黑洞量子动力学的核心问题有关。”这一发现引发了研究人员之间的争论：光子环是否可能是黑洞“全息对偶”的一部分（“全息对偶”是指一个完全等价于黑洞、包含黑洞所有信息的量子系统，黑洞能像全息图一样从这个量子系统中映射出来）。
当然，研究人员需要更多的理论研究，来确定光子环是否编码了黑洞内部的信息，如果是这样的话，它又是以何种方式编码这些信息的。但至少在目前，理论物理学家认为这篇新论文详细阐述了一种精确的检验方法，可以验证任何宣称是对偶于黑洞的量子系统。“这是全息描述的一个目标，”美国普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西纳（Juan Maldacena）说道，他是全息引力理论的奠基人之一。
光子环里的秘密
令人兴奋的是，不同于事件视界，光子环实际上是可见的。事实上，施特罗明格之所以对光子环的观点发生巨大转变，是因为事件视界望远镜（Event HorizonTelescope,EHT）在2019年公布的第一张黑洞照片，“我一看到就哭了，它美得如此震撼。”施特罗明格说道。
2019年，被称为“事件视界望远镜”的全球射电望远镜联盟发布了这张有史以来的第一张黑洞照片——邻近星系梅西尔 87（Messier 87）中心的超大质量黑洞。
但是兴奋很快就变成了困惑。图像中黑洞的周围有一圈厚厚的光环，EHT团队的物理学家并不清楚它是否是黑洞周围混乱环境导致的结果，也不知道它是否包含了黑洞的光子环。于是，他们找到施特罗明格和他的同事，希望能在他们的帮助下理解这张图像。EHT团队利用庞大的数据库来模拟解析光出现在黑洞周围的物理过程。施特罗明格和同事与他们一同浏览了这些数据，从模拟图像中可以看到薄而明亮的光环，而这些光环嵌入在更大、更模糊的橙色光环中。
理论物理学家能够确定，与黑洞周围高能碰撞粒子和场形成的漩涡不同，光子环锐利的线条携带着与黑洞性质直接相关的信息，包括其质量和自旋。而经研究发现，EHT发布的照片展示的是邻近星系梅西尔（Messier）87中心的黑洞，它距离我们并不算远，但真实照片的清晰度依然不足以用来分析它周围的光子环。未来用更高分辨率的望远镜应该能很容易地观测到光子环。
尽管如此，施特罗明格和同事在观察计算机模拟的光子环很长时间后，不禁开始思考它们的形状是否暗示了更深层的含义。
惊人的对称性
从我们的角度来看，绕黑洞做单个U型转弯然后飞向地球的这些光子，会形成一个光环。绕黑洞做两次U型转弯的光子则形成一个子环，嵌在第一个光环内，它看起来更加微弱，也更纤薄。而做三次U型转弯的光子则嵌在该子环内，形成它的子环。以此类推，就形成了层层嵌套的光子环，每个子环都比外圈的子环更加微弱和纤薄。
内子环的光子会比外子环的光子绕了更多圈，这意味着内子环的光子是在外子环光子之前被黑洞捕捉到的。因此，顺着光子环从内到外不断被捕捉的过程，就能生成一系列周边宇宙的延时快照。该合作团队在2020年发表的论文中写道：“这些子环集合就类似于电影中一帧帧的画面，捕捉并记录了从黑洞中看到的可见宇宙的历史。”这让施特罗明格和合作者联想到了全息对偶。
研究人员意识到，这些环的同心结构暗示了一种被称为共形对称的对称群。具有共形对称性的系统会表现出“标度不变性”，这意味着无论你进行放大还是缩小，操作前后的系统看起来都是一样的。在这种情况下，每个光子环的子环都是前一个子环精确缩小的副本。此外，共形对称系统在时间向前或向后平移时，或在所有空间坐标反转、平移、再反转时都会保持不变（时空平移对称性）。
20世纪90年代，施特罗明格在研究一种特殊的五维黑洞时，遇到了共形对称性。在精确理解了这种对称性的种种细节后，他和卡朗·瓦法（Cumrun Vafa）找到了一种新颖的方法，能在黑洞内部将广义相对论与量子世界联系起来。或者说，至少可以在那些极端类型的黑洞内部关联起两种理论体系。他们设想把黑洞切掉，而后用他们所谓的全息屏（一个表面，包含具有共性对称性粒子的量子系统）来取代黑洞的事件视界。由此，他们证明了该系统的性质与黑洞的性质相对应，就好像黑洞是共形量子系统的高维全息图一样。通过这种方式，他们在黑洞的广义相对论描述和量子力学描述之间架起了一座桥梁。
1997年，马尔达西纳将相同的全息原理推广至整个宇宙。他发现了一个像玩具模型一样的“瓶中的宇宙”，其中存在于瓶子表面的共形对称量子系统与瓶子内部的时空和引力性质完全对应。仿佛瓶内是一个“宇宙”，它像全息图一样，是从瓶子的低维表面投射出来的。
这一发现使许多理论物理学家相信，真正的宇宙是一个全息图。但问题是，马尔达西纳提出的瓶中宇宙与我们的真实宇宙并不相同。瓶中的宇宙具有负曲率时空，还有一个类似表面的外部边界。但我们所生活的宇宙一直被认为是渐进平坦的，而渐进平坦时空的全息对偶究竟是怎样的，理论物理学家对此几乎一无所知。
因此，这个团队决定研究渐进平坦时空中一个真实的旋转黑洞，比如事件视界望远镜拍摄到的那些黑洞。“那么首要的问题是：它的全息对偶在哪里？以及它的对称性是怎样的？”哈达尔说道。
寻找全息对偶
根据广义相对论对旋转黑洞时空几何的描述 (也被称为克尔度规），研究团队开始寻找黑洞共形对称的线索。他们想象用锤子去敲击黑洞，使它像钟一样振动发声。这些慢慢衰减的振动就像两个黑洞碰撞时产生的引力波一样。黑洞会发出一些具有共振频率的声响，而这些频率正取决于时空的形状（也就是克尔度规），就像钟声的音调频率取决于它自身的形状一样。
由于克尔度规太过复杂，想弄清楚黑洞确切的振动模式是不可能的。因此，研究团队仅考虑黑洞高频振动下的近似模式，也就是猛烈撞击黑洞造成的结果。他们注意到，高能量下这些波动的模式被证明完全由黑洞光子环结构控制。
一个关键的时刻出现在2020年的夏天，也是全球新冠疫情大流行期间。美国哈佛大学杰斐逊物理实验室外的草地上摆好了黑板和长凳，研究人员终于可以面对面交流了。他们经过讨论发现，就像每个光子环与临近的子环都由共形对称联系起来一样，黑洞振动的相邻音调之间也是通过共形对称相互关联。施特罗明格说，光子环和黑洞振动之间这种共性的关联可能正是全息原理的“预兆”。
而光子环可能具有特殊重要性的另一个线索，来自光子环与黑洞几何之间一种反直觉的联系——当你在光子环上沿不同点移动时，你其实是在探测黑洞不同位置的半径，或者说深度。
这些发现无一不在向施特罗明格暗示，光子环才是旋转黑洞部分全息屏的“自然候选者”，而非此前认为的事件视界。
如果是这样的话，那么很可能会有一种新方法能描述落入黑洞的物体所携带的信息会发生什么——这是一个长期存在的谜团，被称为黑洞信息佯谬。最近的计算表明，当黑洞慢慢蒸发时，这些信息会被宇宙以某种方式保存下来。如今，施特罗明格推测，信息可能就存储在全息屏中。他说：“从某种程度上，也许信息并没有真正地落入黑洞，而是保留在黑洞外的云层中，可能延伸到了光子环。但我们并不清楚信息是如何在那里编码的，甚至这整个过程究竟如何运作，我们也还不了解。”
新的呼吁
施特罗明格和他的合作者认为，全息对偶存在于光子环内部或其附近，但是这一猜想遭到了一些量子引力理论物理学家的质疑，他们认为从光子环的共形对称性就推出这一猜想过于大胆。因为‘全息对偶存在于何处’是一个比‘对称性是什么’更加深刻的问题。而一个令人信服的全息对偶必须能证明光子环的性质（如单个光子的轨道和频率）是如何在数学上映射黑洞精细的量子细节。
尽管如此，一些专家表示，这项新研究为验证引力的全息对偶提供了一种方法：像钟一样敲击旋转黑洞后，对偶必须能够编码黑洞不同寻常的振动模式。施特罗明格说：“要求描述黑洞的量子系统能复现其所有的复杂性是一个非常强的约束——这是我们以前从未尝试过的。”
马尔达西纳也同意说：“人们很想理解如何将光子环整合到全息对偶中。因此，它可能会激发一些这方面的研究。”
但也有科学家怀疑新发现的光子环对称性能否激发理论物理学家和天文观测人员的兴趣。如果事件视界望远镜的升级计划能获得资金支持，那么它会在几年内开始探测光子环。
不过，未来对这些光子环的观测不会直接用来验证全息原理，相反，这些数据将允许我们在黑洞附近对广义相对论进行极端的测试。而黑洞周围的无限光阱结构能否在数学上编码存储黑洞内部的信息，这将取决于理论物理学家用纸笔计算的结果。
发表于 2022-12-4 13:19
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