量子力学的理想玩具模型,黑洞可以像全息投影一样观察

30年前,理论物理学家提出我们的宇宙实际上像全息投影(hologram),即目前所见宇宙是真实宇宙的投影;现在,物理学家将相同理论套用在黑洞身上。一篇新论文指出,黑洞可能将产生三维图像的所有消息编码在二维表面上,如此一来就能让黑洞的神秘热力学性质变得更容易理解。

广义相对论中描述的黑洞很简单,是一个光滑、球形、不存在任何消息的大而美物体,你只需要用数学方式描述出它们的质量、旋转、电荷,如果有什么东西扔进黑洞也不会产生明显变化,因为没有任何该事物的线索可以提供,消息丢失。

然而根据量子物理学,如黑洞热力学奠基人之一、以色列裔美国理论物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein),或英国理论物理学家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)所说,黑洞也有温度会产生某种热辐射(霍金辐射),是现有已知最复杂的系统,它们的特征在于巨大的熵,包含许多消息。

随着时间流逝,黑洞将逐渐蒸发,那么其中包含的消息何去何从?是真的被破坏了从而违反量子力学,还是以某种方式保留在霍金辐射中?于是乎,从弦理论中提出的全息原理(holographic principle)成为一个解决方法。该理论认为黑洞内部消息编码在其外部二维平面(边界),而不是三维空间中。

在这种替代性描述中,重力“消失了”,换句话说,全息原理让科学家可以使用不包含引力的数学语言来描述引力,从而避免与量子力学的摩擦,至少在某些理论类型的黑洞中,全息原理被证明是使计算更容易的有用数学技巧。

新研究指出,这种方法让黑洞神秘的热力学性质变得更容易理解:着重于预测这些物体很大的熵,并从量子力学角度对其观察,就可以像全息投影一样描述它们。

假如新的微观方法能够提供证明霍金辐射,将帮助科学家解决黑洞动力学的关键问题之一,并可能揭开消息悖论的最终谜底。新论文发布在《Physical Review X》。

(首图来源:pixabay)