物理學家可能找到了探索黑洞信息悖論的新途徑

研究人員首次借助粒子物理學的數(shù)學方法，在未觀測真實黑洞的情況下重現(xiàn)了霍金輻射。

黑洞有一個物理學家至今仍無法解釋的難題。根據(jù)斯蒂芬·霍金的著名預言，黑洞并非完全黑暗，它們會極其緩慢地釋放出一股極微弱的粒子流，即霍金輻射。

經(jīng)過足夠長的時間，這種輻射會使黑洞收縮，并最終完全消失。然而，這在物理學中引發(fā)了一個嚴重矛盾：如果黑洞消失了，那么困在其中的所有信息會怎樣？

量子物理學認為信息不可能被摧毀，但黑洞蒸發(fā)似乎指向相反的結(jié)論。

幾十年來，科學家一直為這個難題所困，因為霍金輻射太微弱，無法直接觀測，而連接引力與量子物理的數(shù)學又出了名的困難。

如今，一個國際研究團隊找到了一條意想不到的新途徑來研究這個問題。他們沒有直接處理黑洞，而是借助一種名為“雙重拷貝”（double copy）的數(shù)學框架，將霍金輻射翻譯成了粒子物理學的語言。

“這讓我們能夠計算出以前從未能計算的東西，不過是巧妙地復用已有的結(jié)果，”研究人員之一、倫敦瑪麗女王大學的物理學家克里斯·懷特說。

引力與粒子之間隱藏的橋梁

雙重拷貝是一種在過去十年里重塑了部分理論物理學的思想。其核心概念是，某些描述引力的方程可以在數(shù)學上用粒子物理學方程重新表述。

這一點很重要，因為現(xiàn)代物理學被分成了兩套獨立的框架。愛因斯坦的廣義相對論解釋引力、黑洞以及宇宙中大質(zhì)量物體的運動。

而標準模型則解釋支配量子世界的微小粒子和力。

兩種理論各自都極其有效，但在黑洞等極端環(huán)境中卻難以調(diào)和。雙重拷貝幾乎就像是這兩個世界之間的翻譯工具。

簡單來說，物理學家有時能把一個困難的引力計算，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€更容易處理的粒子物理學計算。

這項技術(shù)已被用來更好地理解若干引力現(xiàn)象，但霍金輻射仍是缺失的一環(huán)。此前，科學家從未為霍金輻射找到恰當?shù)臉藴誓Ｐ蛯?。這一空白限制了雙重拷貝在黑洞研究中的用處。

將霍金輻射轉(zhuǎn)化為粒子碰撞

在這項新研究中，研究人員終于找到了霍金輻射的一個數(shù)學類比。轉(zhuǎn)換后的版本不再是描述粒子從黑洞中逃逸，而是描述一個帶電粒子與一個由荷電物質(zhì)組成的、正在坍縮的球殼相互作用。

“我們考慮的是一個無質(zhì)量標量粒子在一個坍縮的電磁背景中的散射，”研究人員在描述這個用于在數(shù)學上模擬霍金輻射的粒子物理裝置時寫道。

令人驚訝的是，描述這一散射過程的數(shù)學與支配霍金輻射的方程相吻合。另外兩個研究團隊也在各自獨立的研究中得出了密切相關(guān)的結(jié)論，這進一步增強了信心，表明這種聯(lián)系是真實的，而非巧合。

這些論文共同表明，黑洞物理的一些重要特征可能早已編碼在普通的粒子物理學方程之中。

這一結(jié)果意義尤其重大，因為霍金輻射處于兩個截然不同尺度的交匯點上。黑洞屬于由引力支配的巨大宇宙天體領(lǐng)域，而發(fā)射出的粒子則屬于微觀量子世界。

雙重拷貝能將這兩個尺度連接起來，說明引力與粒子物理學之間的關(guān)系可能比科學家此前意識到的更加深層。這個新框架還可能為物理學家提供一條繞過重大實驗難題的路徑。

既然來自真實黑洞的霍金輻射過于微弱而無法直接探測，研究人員或許可以通過數(shù)學方式來研究它的粒子物理學對應物。這或許能讓他們?nèi)ヌ剿鞔饲盁o法觸及的黑洞行為的方方面面。

黑洞悖論可能有了新的試驗場

這項工作并沒有解決黑洞信息悖論，但為科學家提供了一種解決它的全新方式。

研究人員現(xiàn)在希望能進一步推進雙重拷貝框架，尋找其他黑洞特征的粒子物理學等價物，甚至包括事件視界本身——也就是那個任何東西都無法逃脫的邊界。

如果這些聯(lián)系也能被成功繪制出來，物理學家或許就能用最初為粒子碰撞開發(fā)的方法來研究黑洞的某些方面。

這將代表著研究人員處理量子引力——現(xiàn)代科學中最大的未解難題之一——的方式發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。

不過，就目前而言，這項研究仍完全是理論性的，并且當前的數(shù)學映射只適用于經(jīng)過精心控制的情形，而不適用于現(xiàn)實中的天體物理黑洞。

這項研究發(fā)表在arXiv上。

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