黑洞消失过程中 其中物质的命运

　　题图:物理学家们曾经苦苦争辩：在黑洞的尺度收缩到只有几分钟就蒸发完的大小之时，量子信息不可能再隐藏在黑洞之中。

　　译者前言:根据传统理论，黑洞只吞噬物质与辐射，而不发出任何辐射，除非黑洞连接了一个吸积盘，形成的系统将黑洞转动能转化为辐射。

但是，量子场论告诉我们，真空中会不断产生正反粒子对，然后迅速湮灭。

　　1974年，霍金根据这个原理，提出了黑洞消耗自己的质量(能量)的更奇特方式：黑洞附近的真空中产生的“粒子-反粒子”对中的反粒子会掉落到黑洞中，湮灭了黑洞质量，粒子则远离黑洞，因此总的效果是黑洞蒸发为粒子。

在蒸发过程中，黑洞温度越来越高，质量越来越小，经过足够长时间，黑洞最终会爆炸。

这就是黑洞蒸发理论。

这个理论只用到量子场论中的基本原理，并未使用严格的量子引力理论，因此属于“半经典理论”。

　　1976年，霍金进一步发展了这个理论。

在这个理论中，没有考虑黑洞蒸发产生的辐射与黑洞的相互作用。

　　最近，渥太华大学的Brádler与密歇根州立大学的Adami合作了一篇论文，使用“S矩阵的离散路径积分”方法，将霍金的理论推广到可以考虑辐射与黑洞相互作用的情形，重新探讨了一个重要问题：黑洞蒸发的最后阶段，信息是否可以逃逸出来?这个方法可以视为对霍金理论的超越，至于是否会大获成功，还要看今后的其他进一步工作。

　　密歇根州立大学的Kim Ward的科普新闻介绍了这个成果。

本文翻译了这个新闻。

　　正文：黑洞消失后，它们拥有的物质命运如何?

　　由于黑洞具有异常大的辐射功率，它们不可能长生不死。

　　它们和我们一样，有一个生命周期。

40年前，世界一流的黑洞专家霍金(Stephen Hawking)宣称：它们会蒸发、收缩，因为它们发出了辐射。

　　但是，如果黑洞会蒸发、收缩，它在有生之年吞没的所有东西会怎样?

　　大部分数学计算表明，黑洞内的信息与其他一切东西会单纯地消失，这个结论引发的问题比它能够回答的问题还要多。

　　“这个课题从未消停过，因为霍金的计算不能包括辐射(“霍金辐射”)对黑洞自身产生的效应，”物理与天文学教授Chris Adami说。

“物理学家假定，由于霍金辐射带走了黑洞的质量，黑洞会随着时间推移而收缩，但是没人能够通过数学计算验证这一点。

　　计算黑洞蒸发似乎不可能了，除非可以找到一个关于量子引力的完整理论，这个完整的量子引力理论将爱因斯坦的广义相对论(Einstein’s general relativity)纳入量子场论(quantum field theory)的框架之中。

　　Adami发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters，PRL)的新论文改变了这个前提。

(译者注：《物理评论快报》上的这篇论文有两个作者，第一作者Brádler，第二作者是Adami。

)

　　picture from 500px by Aleks Gjika

　　霍金的理论，但加了个变化

　　Adami与渥太华大学(University of Ottawa)的合作者Kamil Brádler发展处一个新理论，该理论允许他们追踪黑洞演化的一生。

他们所发现的东西震撼人心: 隐藏在黑洞视界面(黑洞不看见区域的边界面)内的各种量子谜团都会在黑洞蒸发的最后阶段缓慢地向外泄露。

　　有了这个发现，黑洞物理中的一个主要问题就可以迎刃而解了。

物理学家们曾经苦苦争辩：在黑洞的尺度收缩到只有几分钟就蒸发完的大小之时，量子信息不可能再隐藏在黑洞之中。

　　据此可以立即得知，在蒸发过程中，黑洞不可能永远破坏信息,Adami 与Brádler 并不需要去创立一个难以创立的量子引力理论，而是使用霍金已经建立的理论，但加了个变化。

　　为了理解黑洞如何与其自身制造出的辐射直接相互作用,Adami 与Brádler 用了一套复杂的数学工具与高性能计算机，模拟黑洞足够长时间内的演化，直到发现量子信息跑出黑洞。

　　picture from 500px by Milad Safabakhsh

　　培基曲线的信号

　　“为了进行这个计算，我们必须猜测黑洞如何与其周围的霍金辐射场相互作用,” Adami 说。

“这是因为至今没有一个可以描述这个相互作用的量子引力理论。

然而，我们的猜测貌似比较靠谱，因为我们的模型在推到一个固定、不变化的黑洞的极限时，与霍金的理论是等价的。

　　(译者注：这里用了所谓的“对应原理”，一个新理论要求在某种极限下与旧理论符合，例如，相对论必须在弱引力场、低速时与牛顿力学符合。

该论文作者改进了霍金的理论，采用了“三线性哈密顿量(trilinearHamiltonian)”，也要求在退回到极限情况时，能够与原始的霍金辐射符合。

)

　　“我们的模型仅仅是一个模型，但我们可以表明，黑洞与霍金辐射之间的任何量子相互作用非常可能与我们的理论得到的性质一样,” Brádler 说。

　　这个理论可以重新得到一个在黑洞物理中被长期追寻的特征，所谓的“培基曲线(Page curves)”，这是在阿尔伯塔大学(University of Alberta)的物理学家唐·培基(Don Page)之后获得这个名称的。

培基的模型预测了这样的曲线，这些曲线可以描述量子信息首次进入黑洞并激发黑洞的过程。

Adams与Bradler 的计算首次产生了这些曲线，与当年培基预测的曲线完全吻合。

　　但是依然有很多事情要做。

原则上，这个小组的猜测必须遵从至今尚未发现的基础性的量子引力统一理论。

但因为现在还没有这个理论，对于“这样一个超越霍金理论的理论如何被构建”的问题，Adami与Bradler 理论的成功也许会给出一个解释的线索。

　　LIGO的最新发现将引力波观测领域带入了一个新纪元，在这个新纪元中，Adami 与Bradler 构建的这个理论也许总有一天会被证实。