新研究：黑洞蒸发后会留下蕴含原始信息的实体残块

　　7 月 20 日消息，最近基于弦论的新研究认为，黑洞蒸散后可能会形成人类理论上能接触到的残块，或者说一个不会被事件视界所笼罩的奇点。

　　自从史蒂芬・霍金（Stephen Hawking）发现黑洞会蒸散后，人们就知道黑洞可能会从宇宙中消亡。但目前科学家有关引力和量子力学的见解还不足以描述黑洞生命的最后时刻。

　　但基于弦论的新研究提出，黑洞死亡后可能会形成人类可以接触到的残块。

　　霍金辐射的重要性

　　严格意义上说，黑洞并不是完全漆黑的。在爱因斯坦的广义相对论中，所有物理定律在任何参考系中都取相同形式，在这种情况下的黑洞永远是漆黑一片，一旦形成就会一直留在那里。但在 20 世纪 70 年代，霍金使用量子力学来探索黑洞边界附近发生的事情，也就是所谓的视界。

　　霍金发现，宇宙的量子场和视界的单向势垒之间存在奇怪相互作用，为能量提供了一条从黑洞逃逸出去的通道。能量会以缓慢稳定的辐射和粒子流从黑洞向外发散，也就是后来被称为霍金辐射的粒子流。随着能量一点点逃逸，黑洞会失去质量，从而缩小，最终完全消失。

　　霍金辐射造成了所谓的黑洞信息悖论。科学家认为，所有关于坠入黑洞的物质的信息都会穿过视界。但是霍金辐射本身并不携带任何信息。当黑洞最终消失后，内部所有的信息都去哪里了呢?

　　超越爱因斯坦

　　对物理学家来说，黑洞信息悖论表明人类还没有理解某些东西。这可能是因为人类不了解量子信息、引力或视界的本质。解决黑洞信息悖论的“最简单”方法就是构建一种超越爱因斯坦广义相对论的新引力理论。

　　科学家已经知道，爱因斯坦的广义相对论在黑洞中心会失效。黑洞是时空中被称为奇点的微小孔洞，那里的密度趋于无穷大。正确描述奇点的唯一方法是引入量子引力理论，其能够正确预测强引力在极其微观尺度上的表现。

　　不幸的是，目前科学家有关量子引力的理论见解匮乏。直接观察奇点固然很好，但根据广义相对论的说法，奇点被锁在黑洞的事件视界后面，人类无法接触到它们。

　　但通过研究霍金辐射过程，科学家或许能找到一条接近奇点的捷径，并了解所发生的物理现象。当黑洞蒸散时，它们会变得越来越小，视界也会离中心奇点越来越近。在黑洞生命的最后时刻，引力变得极大而黑洞本身变得极小，以至于科学家无法用现有理论正确进行解释。因此，最好的方法是引入新的引力理论。在新研究中，科学家就是用弦论对广义相对论进行修正。

　　裸奇点

　　这种修正后的理论并不一定能正确替代爱因斯坦的广义相对论，但可以让科学家深入研究引力在接近量子极限时会发生什么。最近，一个理论团队就使用所谓的爱因斯坦-膨胀-高斯-贝内特引力理论（Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet ）来研究黑洞蒸散后的最终状态，相关论文发表在今年 5 月份的他们在 5 月份发表在预印本数据库 arXiv 上。

　　由于用弦论对广义相对论进行了修正，其中有大量近似和猜测，研究小组的结果细节有些模糊，但总体上描绘出黑洞蒸散后会发生什么。

　　爱因斯坦-膨胀-高斯-贝内特引力理论的一个关键特征是，黑洞有最小质量，所以基于此能够研究出当一个不断蒸散的黑洞开始达到最小质量时会发生什么。

　　根据理论的确切性质和黑洞的演化进程，黑洞蒸散过程中会留下一个微小的残块。这个残块不再有视界，所以理论上人类可以接触到它。虽然这个残块非常奇特，但至少会保留掉入原始黑洞的所有信息，从而解决霍金辐射带来的黑洞信息悖论。

　　另一种可能性是，黑洞达到最小质量，脱离视界，但仍然有一个奇点。在爱因斯坦的广义相对论中，这种“裸奇点”似乎并不成立。但如果它们存在，将会为人类打开进入量子引力领域的大门。

　　目前还不清楚爱因斯坦-膨胀-高斯-贝内特引力理论是否是人类通往量子引力的有效路径。但这种研究有助于物理学家解释黑洞这种宇宙中最复杂的场景。