量子计算和全息可能会告诉我们黑洞里面有什么

这幅图看起来像什么？黑洞？

黑洞是我们对物理学理解极限外的物体。在人类视野之外，我们不知道它们内部发生的事情，因为它们巨大的引力不会让任何东西逃逸出去，包括光。这意味着如果我们知道它们的内部属性是数学模型的话，就可以让我们知晓黑洞真正发生了什么。

发表在《PRX量子》(PRX Quantum)杂志上的一篇新论文试图建立必要的数学支架来做到这一点，弥合当前量子力学与广义相对论（我们的主要引力理论）之间的差距。这两者构成了我们当前对物理学的理解的基石，但似乎并没有结合起来，因此物理学家正在寻找传说中的量子引力理论，其中一种关键的方法是通过全息原理。

密歇根大学的 Enrico Rinaldi 在一份声明中说：“在爱因斯坦的广义相对论中，没有粒子一直有时空。而在粒子物理学的标准模型中，没有引力，只有粒子。” “将这两种不同的理论联系起来是物理学中一个长期存在的问题—自上个世纪以来，人们一直在尝试做这件事情。”

许多人熟悉全息图、生命的投影和由光构成的事物，一般的全息思想是，我们三维宇宙的所有信息都可以编码在二维表面上。这一原理支撑了全息二象性的概念，这是一种在引力理论和粒子理论之间建立数学等价性的猜想—引力理论中发生的数学事情也会发生在粒子理论中，反之亦然。

因此，黑洞的三维引力被转化为二维的相互作用，比如转化为一个平面的圆盘上面的粒子。为了找到数学上的联系，研究人员正在使用量子矩阵模型，这是粒子理论的一种表示。

如果全息二象性是正确的，那我们了解粒子的行为方式，就应该先了解引力的行为方式，因此通过找到正确的模型，我们最终可以找到联系引力和量子力学的方法。

但是如果找到合适的模型很容易，那早就完成了。这就是高级计算的用武之地，该团队正在使用深度学习、复杂的统计方法，甚至是量子计算的原理，在所有可能的量子矩阵模型中找到能量基态—能量最少的状态。

“了解基态是什么样子真的很重要，因为这样你就可以从中创造出东西，”Rinaldi说。“所以对于一种材料来说，知道基态就像知道它是导体还是超导体，或者它是强电还是弱电。但是在所有可能的状态中找到这个基态是一项相当艰巨的任务。这就是我们使用这些数值方法的原因。”

这些方法可以提供基态的完整信息，并允许构建至少一个黑洞的完整模型。

Rinaldi 解释说：“因为这些矩阵是一种特殊类型黑洞的可能表现形式，如果我们知道这些矩阵是如何排列的以及它们的属性是什么，例如我们就可以知道黑洞内部的样子，” “黑洞的视界里有什么？它从何而来？回答这些问题将是朝着实现量子引力理论迈出的一步。”

虽然还需要做更多的工作，但这项研究为理论物理学家在从全息二象性的角度研究量子引力时可能想要寻找的东西提供了一个路线图。

阿尔弗雷多·卡皮涅蒂是国际图联科学部的一名编写者。他主要研究天文学、物理学和科学。他拥有伦敦帝国学院天体物理学博士学位和量子场与基本力学硕士学位，致力于打击STEM教育中的不平等，是Pride in STEM的主席和创始人，这是英国最大的慈善信托机构。他还是一个狂热的科学传播者，以“theastroholic”的名字制作视频和播客。

660亿倍太阳质量：这个黑洞的体积，足以吞噬整个太阳系

严格地说，二者没有区别。

如果说有，那么灰洞只是黑洞理论的发展。就是说，在传统的黑洞理论中加入了“量子蒸发”的概念，它就成了“灰洞”。

霍金在发表了黑洞论文之后，又提出了新的观点。他认为黑洞其实是一个拥有极端物理环境的“灰色地带”，质能进入黑洞中后还会“回到”宇宙中，故而真正存在的是灰洞。

这是一种被称为霍金辐射的黑洞理论，是从量子效应的角度出发来研究黑洞。霍金辐射认为，黑洞内部出现的量子涨落使得黑洞可以通过量子蒸发而失去质量，因此一些非常小的“迷你黑洞”可“蒸发”消失。该理论证明了黑洞并不是宇宙中最自私的天体，黑洞在吸积物质后可通过量子行为向宇宙空间中释放出内部的质能，故而霍金认为，黑洞并不是全黑的，而是带有灰色的，即它也在向外发出辐射。所以叫“灰洞”。

但由于黑洞的量子效应极弱，即使是一个量子黑洞（即大小如一个亚原子粒子，而质量如同一座大山的极小黑洞），要依靠量子蒸发把质量损失到零，也需要数百亿年的时间。

黑洞是相对论最著名的预测之一，它由爱因斯坦和史瓦西在理论上提出和证明，后又经霍金等人进一步完善，2019年第一张黑洞照片问世后， “黑洞在宇宙中普遍存在”，彻底成了科学界的共识。

和同样遍布全宇宙但体积大小各异的恒星一样，黑洞的质量和大小也是有区别的，理论上最小的黑洞能达到量子级别， 但天文学家见的最多的还是由恒星坍塌而来的黑洞，也就是所谓的恒星级黑洞 ，虽然它们的质量只有的太阳的几十倍，但如果恒星级黑洞周围还存在其他大质量恒星的话，它就会越吃越胖，最后变成一个 100到10万倍太阳质量的中等质量黑洞 。

天文观测结果显示，除了恒星级黑洞外，在每个星系的中心区域还都存在一个超大质量黑洞，比如银河系的中心 430万倍太阳质量的人马座A* ，以及2019年拍摄的， 位于5500万光年之外， 680万倍太阳质量的M87星系中心黑洞 ，正是这些超大质量黑洞用自身的引力，维持着所在星系数千亿颗恒星的稳定，才保证宇宙中的星系不会分崩离析。

然而目前人类发现的，宇宙中质量的最大的黑洞，却并不位于星系中心，而是位于 类星体TON618的中心 ，和拥有数千亿颗恒星的星系不同，通常位于数百亿光年外的类星体们，一般被认为是星系的“前身”，也是说 随着核心附近“燃料”逐渐耗尽，类星体将会演化成普通的旋涡星系和椭圆星系。

具体到 TON618来看， 它距离地球104亿光年，质量达到了太阳的660亿倍 ，模仿以前“把某颗恒星与太阳调换，太阳系将会如何如何”的类比，视界半径达到1920亿千米，是太阳半径2.76万倍的TON 618如果和太阳互换位置，那么整个太阳系所有天体都将位于黑洞内部，再到TON 618的吸积盘范围的话，半径一光年的太阳系都有可能被这一个黑洞“填满“。

得益于第一张黑洞照片的问世，现在很多人都知道了黑洞是一个连光都无法逃逸的强引力场，不过这么说其实并不太准确，因为真正完全不可见的黑洞，只是整个黑洞系统的一部分， 剩下的吸积盘和黑洞喷流，则是宇宙中亮度最强的物体之一 ，比如TON 618的吸积盘光度就是太阳的 140万亿倍 ，所以天文学家才能隔着104亿光年，从地球上看到他，准确来说是看到104亿年前的它。

在霍金提出他的”黑洞蒸发“理论之前，科学界认为黑洞是会永远存在于宇宙中的天体，因为它的逃逸速度大于光速， 连光子都无法带着能量逃出黑洞 ，所以黑洞是不可能发生能量亏损的，但量子力学认为在微观层面，一直存在着无休止的量子涨落，黑洞周围也不例外。

所以霍金结合微观量子力学和宏观的广义相对论后发现， 黑洞视界边缘的量子涨落，会不断带走黑洞的质量也就是能量 ，如果某个黑洞没有吸积盘或者已经没有物质可供吞噬，从外界看来黑洞就会因为量子涨落而向外辐射能量，久而久之黑洞的质量和体积就会下降，并最终在宇宙中消失不见。

不过这种被称为霍金辐射的能量释放过程，还和黑洞的质量有很大关系， 质量越小的黑洞霍金辐射越强，寿命越短 ，这也是为什么物理学家不怕对撞机生成黑洞的原因，而宇宙中的天然黑洞，尤其是超大质量黑洞，霍金辐射对它们来说是很弱的，在宇宙未来继续存在的日子里，它们都不会因为霍金辐射而消失。

其实从宇宙层面来看，太阳系和黑洞是不太可能发生故事的，因为距离最近的 HR 6819黑洞都在1000光年之外，虽然有天文学家认为，随着太阳系未来继续绕银河系中心公转，有可能碰到银河系内的流浪黑洞，但宇宙天体之间的距离都很漫长，且黑洞只会威胁到视界之内的天体， 所以就算黑洞路过太阳系，只要它不从太阳身边经过就没事 。

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