研究人员在有关黑洞如何演变的棘手问题上取得了进展

如果人们有一个关于黑洞的误解，那就是没有东西能逃脱它们。正如物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）及其同事在1970年代所展示的那样，黑洞实际上会向外辐射发出微弱的光。

这种光导致一个有趣的结果是：它将能量带离黑洞。最终辐射的这种粒子会带走黑洞的热能，直至完全将黑洞蒸发并使其消失为止。

在1970年代，科学家的计算表明，这种光几乎不包含任何信息。黑洞似乎不仅是沉入其中的物体的破坏者，而且还是有关这些物体最初位置的任何信息的破坏者。

问题是根据量子力学这是不可能的事情。这是我们需要更好地理解量子引力的地方。量子力学的核心宗旨是在亚原子级研究粒子行为，即：如果您知道任何系统的当前状态，那么您将了解其过去和未来的所有知识。某种程度上，黑洞似乎正在破坏信息，根据量子物理学，这些信息是无法破坏的。这个问题今天被称为黑洞信息悖论，数十年来困扰着物理学家。

但是在过去的几年中，理论物理学家已经确定了霍金最初计算所忽略的关键部分。2019年完成的计算使科学家洞悉了这些信息将如何持续存在。

位于麻省理工学院的物理学家内塔·恩格哈特（Netta Engelhardt）与高级研究学院物理学家艾哈迈德·阿尔默里（Ahmed Almheiri）合作，他们为取得最新结果指明了方向。这项研究结果是我们需要寻求以更好地理解量子引力的地方。

佩奇曲线

在1990年代，霍金（Hawking）的前学生物理学家唐·佩奇（Don Page）第一个提示是黑洞可能不是它们原来被认为是破坏信息的人。佩奇想象出了一种黑洞类型，该黑洞吸收了量子力学波，然后以加扰的形式辐射回去。与霍金的观点不同这种黑洞遵循量子理论，假设黑洞的入射波和射出辐射组合系统是封闭的，因此系统中的任何信息都将被保留。

在Page的计算中，辐射既包含信息，又与黑洞中残留的物质相关，因此也与黑洞以后发射的辐射有关。

佩奇的研究结果就是现在所说的佩奇曲线，它描述了连接到黑洞及其辐射的信息量。该曲线随着时间的推移缓慢增加，在过程的一半处达到最大值，此时出现的所有信息与剩余的所有信息都具有尽可能的相关性，而当出现黑洞时最终下降到零，然后消失使配对不再存在。

佩奇曲线诱使物理学家几乎与原始信息悖论一样多。加州大学伯克利分校的物理学家彭宁顿说，这表明尽管物理学家仍然应该期望霍金的计算能保持很长时间，但根据其他计算，它最终会出错。

许多科学家仍在怀疑佩奇是否真的正确。佩宁说：“霍金的计算似乎非常可靠。” 为了在真正的黑洞中获得类似Page曲线的内容几乎需要非常激进的物质形式。

由内而外的黑洞

在过去的两年中物理学家已经证明黑洞的纠缠熵确实遵循Page曲线，这表明信息即使消失了也会以另一种方式存在。他们分阶段进行了分析。首先他们利用弦论的见解展示了它如何工作。然后在去年秋天发表的论文中研究人员将系绳完全切断了弦理论。

这项工作认真开始于2018年10月，当时高级研究所的艾哈迈德·阿尔姆海里（Ahmed Almheiri）制定了研究黑洞如何蒸发的理论实验时。阿尔姆海里在几位同事的支持下很快加入了对偶性这个概念，该概念最早是由1997年现任自然科学学院高级研究员胡安·马尔达塞纳（Juan Maldacena）提出的，马尔达塞纳考虑一个包围在像雪球这样边界中的宇宙。

除了周围有一堵大墙外内部基本上就像我们的宇宙一样：它具有引力，物质等。边界也是一种宇宙。它没有重力，只是表面而没有深度。但这用充满活力的量子物理学弥补了这一点，总而言之它和内部一样复杂。尽管这两个宇宙看起来不同，但它们是完美匹配的。内部的所有物体在边界处都有对应的物体。尽管主体的几何形状不同于我们自己宇宙的几何形状，但自马尔达塞纳提出以来这种对偶性一直是弦论家最喜欢的游乐场。

按照这种二重性的逻辑，如果您在主体中有一个黑洞则它的边界上有一个模拟物。因为边界是由量子物理学控制的，没有引力的复杂性所以它明确地保留了信息。黑洞也必须如此。

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