弦理论学家称黑洞为多维弦“Supermazes”
2025年4月7日 3 分钟阅读
黑洞可能是多维弦的“Supermazes”
物理学家认为，黑洞内部可能是高维度中缠绕弦的复杂迷宫。
作者：Clara Moskowitz 编辑：Jeanna Bryner
Jose A. Bernat Bacete/Getty images
黑洞是宇宙中最密集的物体，会吞噬任何过于靠近的东西，甚至是光。 这些庞然大物内部是否还剩下什么可以揭示它们最初吞噬的东西？ String theory，一种试图将引力与量子物理学相结合的尝试，给出了肯定的答案。 一项新的研究表明，黑洞内部存在着被称为 supermazes 的缠结弦的路径，这些路径在多个维度中保存着这些信息。
什么是黑洞 Supermazes？
Supermazes 源于 M-theory，这是一种包含多种版本的 string theory 的总括性思想，其中我们的宇宙包含 11 个维度——不仅仅是物理学家知道存在的四个维度。 在 M-theory 中，宇宙是由被称为 branes 的多维振动弦组成的。 Supermazes 是一种地图，描绘了各种二维和五维 branes 在黑洞内部的交汇方式。 这些 mazes 是一种描绘黑洞微观结构的方式——其微小的量子构成。
“这个 maze 是一个非常复杂、精细的结构，有很多房间和隔间以及墙壁的交汇处，墙壁上还有各种各样的分层，” 南加州大学的研究合著者 Nicholas Warner 说。 这些墙壁就是 branes，“交汇处是二维事物与五维事物相遇的地方。 当它们相遇时，它们会相互拉扯和弯曲。”
Supermazes 将存在于并非真正黑洞的黑洞中。 相反，它们将是 fuzzballs：由振动 branes 组成的模糊球体，缺乏黑洞的传统特征——event horizon（外边界）和 singularity（包含所有质量的单点）。 “黑洞及其 horizons 存在大量问题，” Warner 说。 Fuzzballs 是“一种看起来像黑洞并且行为像黑洞的物质状态，但在 horizon 尺度上有所不同。”
Warner 及其合著者，法国理论物理研究所的 Iosif Bena 和 Dimitrios Toulikas，以及苏黎世瑞士联邦理工学院的 Anthony Houppe，在一篇论文中描述了 supermazes，该论文于 3 月 14 日发表在 Journal of High Energy Physics 上。
专家怎么说
俄亥俄州立大学的理论物理学家 Samir Mathur 说，Supermazes 是一种“很好”的新方法来创建 fuzzballs 系列，他最初提出了 fuzzballs。 这项新研究的作者“在制造更多系列方面做了大量努力，”他补充说。 “我发现所有这些构造都非常有趣，最新的这个也非常有趣。”
一个尚未解决的问题是，supermaze 版本的 fuzzballs 是否完全满足科学家对黑洞（或替代黑洞的理论物体）的所有要求。 加州大学圣巴巴拉分校的物理学家 Don Marolf 说：“Bena 博士及其合作者构建的解决方案非常有趣，而且它们肯定_接近_于成为黑洞。” “然而，虽然已经表明这些解决方案的质量和电荷与我们对某些黑洞的期望一致，但作者尚未表明这些解决方案实际上就是我们通常所说的黑洞。”
例如，从黑洞中切除 event horizons 使得难以解释它们的 entropy，这是一种衡量它们的随机性或无序性的指标。 普林斯顿高等研究院的物理学家 Juan Maldacena 说，研究人员“成功地编写了许多有趣而复杂的解决方案，但还没有编写一套完整的解决方案来解释这些黑洞的 entropy，entropy 是通过具有 horizon 的解决方案计算出来的。”
为什么这很重要
Fuzzballs 和 string theory 只是物理学家试图弥合爱因斯坦广义relativity和量子力学之间差距的一种方式，它们并不相容。 科学家们希望有一种最终理论，既能描述粒子的微小运作，又能描述星系的宏大运动。 黑洞内部非常小且非常巨大，是尝试这种理论的理想试验场。
更具体地说，fuzzballs 和 stringy supermazes 已经成为解决一个被称为黑洞信息悖论的难题的一种方式。 当物理学家意识到黑洞似乎打破了一条神圣的物理定律时，就出现了这个难题：信息永远不会被破坏。 1974 年，Stephen Hawking 意识到，黑洞必须通过发射粒子缓慢蒸发，最终耗尽黑洞，使其归于虚无。 在黑洞的传统图像中，这个过程会破坏其中包含的所有信息。 然而，fuzzballs 将能够通过蒸发粒子传输其中的一些信息。 Warner 说：“Supermaze 具有巨大的存储信息的能力。 这就解决了信息悖论。”