Question

广义相对论中的黑洞可能是弦理论中的弦球

Answer 1

爱因斯坦的广义相对论告诉我们，如果物质的密度足够大，最终的引力坍缩是不可避免的。物质应该收缩到一个无限密度的点——奇点，并被一个连光都无法逃脱的事件视界所包围。我们在宇宙的许多地方都观察到了这些黑洞，它们是无可辩驳的证据。

但黑洞理论也有问题，在中心奇点处，已知的物理定律崩溃了，广义相对论与量子力学发生了不可调和的冲突。在事件视界处也有一个问题，一方面广义相对论认为，落入黑洞的物质的任何信息都不应该在表面被观察到；另一方面，如果我们计算黑洞的信息量，会得到惊人的数字。黑洞会随着霍金辐射而蒸发，如果黑洞最终消失，其巨大的信息量也会消失，这违反了量子信息守恒定律。这种在无毛黑洞中擦除量子信息的威胁是黑洞信息悖论。

当我们在物理学中看到了一个明显的悖论时，它确实是一个线索，指出了我们理解上的差距，解决这个悖论可以引导我们获得新的知识。我们之前已经讨论过很多种解决黑洞悖论的方案，今天我们将使用先进的量子引力理论——弦理论来解决黑洞悖论。

在弦理论中，所有基本粒子都是一维弦中的振动，它们本身嵌入在复杂的多维时空中。弦理论立即解决了黑洞奇点的问题，因为它不是将所有黑洞的质量坍缩成一个点，而是分布在这些弦的环结构周围。失去了那个令人讨厌的无限密度，我们就可以重新开始理解物理了。

事实证明，弦理论也可以解释黑洞事件视界，迈向这一目标的第一步是在1996年，当时安特鲁·施特罗明格和卡姆朗·瓦法使用弦理论创造了一个理论上的黑洞。他们找到了一种方法来计算视界上的微观状态——弦论本身和称为D膜的更高维结构，计算结果与黑洞熵的贝肯斯坦公式完全一致。很难相信这仅仅是一个巧合，他们似乎发现了在事件视界上对信息进行编码的机制。弦理论中的无穷小弦和膜可能类似于在充满空气的房间中储存熵的分子。

应该补充一点，他们这个计算是针对具有4个空间维度的黑洞视界，虽然这种情况有点不切实际，但这是决定性的一步，它给了我们一个信服的理由来认为弦理论可以解释黑洞的微观状态存在哪里。

但为了解决信息悖论，我们仍然必须在黑洞蒸发时将其从黑洞中取出。在施特罗明格-瓦法的计算结果后一年，俄亥俄州立大学的萨米尔·马瑟深入研究了该模型，看看它是否可以再现超出熵的黑洞特性，他做到了。例如，弦发射的辐射轮廓与传统的霍金辐射精确匹配，这是另一个惊人的理论匹配，也是弦状黑洞泄漏信息的一种方式。

虽然这些理论看上去很不错，但这些黑洞是什么样子的？它们是如何形成的？事件视界是如何支撑这些结构的？为此，我们需要最终了解弦球的概念。

在 探索 弦状黑洞时，萨米尔·马图尔发现形成黑洞的弦会随着引力强度的增加而增大。事实上，如果有一串足够密集的弦，可以在广义相对论中形成一个黑洞，但它实际上不会坍缩。相反，它会成长为与经典黑洞具有相同半径的弦的聚集体。如果这是正确的，那么黑洞根本就没有一个空的视界，而是一个真实的表面，看起来像一个缠结弦和膜的模糊表面。