來源：造就

　　倫納德·薩斯坎德(Leonard Susskind)是弦理論和全息原理的先驅(qū)，他在過去半個世紀中，還提出了其他一些重要的物理學思想。如今，他又為一個重要的黑洞謎題提供了解答。這個謎題就是，黑洞作為一種神秘、不可見的球體，盡管從外部看保持著恒定的大小，但它們的內(nèi)部體積卻基本上是在永遠保持增長，這怎么可能呢?

　　在最近的一系列論文和講話中，薩斯坎德這位78歲的斯坦福大學教授和他的研究合作者提出，黑洞體積增長是因為它們的復(fù)雜性在穩(wěn)步增長——這個觀點盡管未經(jīng)驗證，但卻促使人們開始思考，黑洞內(nèi)部的引力是否具有量子特性。

　　黑洞是引力極大的球形區(qū)域，甚至連光也無法從中逃逸。一個世紀之前，愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言了黑洞的存在，此后，科學家在宇宙各處都探測到了黑洞。(黑洞通常是死亡恒星向內(nèi)發(fā)生引力坍縮形成的。)愛因斯坦的理論把引力的作用等同于時空的彎曲(即宇宙的四維結(jié)構(gòu))，但黑洞中的引力非常強大，以至于時空結(jié)構(gòu)彎曲到了極限——也就是黑洞中心密度無限大的“奇點”。

　　根據(jù)廣義相對論，黑洞的內(nèi)向引力坍縮從未停止過。盡管從外部看上去，黑洞似乎保持著恒定的大小，只會在新的東西落入其中時稍稍擴大，但隨著空間朝向中心點伸展，它的內(nèi)部體積卻時刻在增大。要簡單地想象一下這種永恒增長的圖景，我們可以把黑洞想象成一個從二維平面(它代表的是時空結(jié)構(gòu))向下延伸的漏斗。漏斗越來越深，這樣，落入其中的東西永遠不會碰到底部那個神秘的奇點。實際上，黑洞是一個從所有三個空間方向向內(nèi)延伸的漏斗。圍繞著黑洞的球形邊界被稱為“事件視界”，任何東西進入其中就再沒有回頭路。

　　至少從上世紀70年代開始，物理學家就已經(jīng)認識到，黑洞必然是某種類型的量子系統(tǒng)，就像宇宙中的萬事萬物一樣。愛因斯坦理論所描述的黑洞內(nèi)部翹曲時空，可能是大量引力粒子的的集體狀態(tài)，這種粒子就是量子引力理論描述的“引力子”。這種情況下，黑洞的所有已知特性都應(yīng)該能追溯到這個量子系統(tǒng)的特性。

　　事實上，1972年，以色列物理學家雅各布·貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)發(fā)現(xiàn)，黑洞球形事件視界占據(jù)的區(qū)域?qū)��?yīng)于它的“熵”。這是黑洞內(nèi)全部粒子所有可能的微觀排列方式的數(shù)量，或者就像現(xiàn)代理論物理學家描述的那樣，熵是黑洞存儲信息的能力。

　　貝肯斯坦的見解讓史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在兩年后認識到，黑洞是有溫度的，因此它會輻射出熱量。這種輻射會導致黑洞慢慢蒸發(fā)掉，這引出了廣受熱議的“黑洞信息悖論”，該悖論提出了一個疑問：那些落入黑洞的信息發(fā)生了什么?量子力學稱，宇宙保留了有關(guān)過去的所有信息。但那些下落物質(zhì)的信息呢?它們似乎在永遠地落向中心奇點，難道也蒸發(fā)掉了嗎?

　　黑洞表面區(qū)域與其信息內(nèi)容之間的關(guān)系，讓量子引力領(lǐng)域的研究人員忙活了幾十年，但有人可能會問：從量子力學的角度來看，黑洞內(nèi)部不斷增長的體積對應(yīng)的是什么呢?“不管出于何種原因，沒有人真正想過那意味著什么，這么多年來，我也是如此。”薩斯坎德說，“到底是什么東西在不斷增長?這本應(yīng)成為黑洞物理學的一個主要謎題。”

　　斯坦福大學理論物理學教授倫納德·薩斯坎德在位于加州帕洛阿爾托的家中。

　　近年來，隨著量子計算的興起，物理學家通過研究黑洞的信息處理能力(就好像它們是量子計算機一樣)，獲得了有關(guān)這些物理系統(tǒng)的新見解。這個視角讓薩斯坎德及其合作者找到了一個候選對象，來描述黑洞不斷變化的量子特性，正是這種特性，導致了黑洞的內(nèi)部體積持續(xù)增長。他們提出，發(fā)生變化的是黑洞的“復(fù)雜性”——這大致衡量的是恢復(fù)黑洞初始量子狀態(tài)(黑洞形成時)所需的計算量。黑洞形成后，隨著內(nèi)部粒子相互作用，關(guān)于其初始狀態(tài)的信息變得越來越混亂。其結(jié)果就是，黑洞的復(fù)雜性不斷增長。

　　薩斯坎德團隊利用簡化模型，將黑洞以全息圖形式呈現(xiàn)，由此證明，黑洞的復(fù)雜性和體積都以相同的速率增長，從而為這樣一個觀點提供了支持，即黑洞的復(fù)雜性和體積也許是互為支撐的。而且，鑒于貝肯斯坦已計算得出，黑洞會存儲其表面區(qū)域所允許的信息量，薩斯坎德的研究表明，黑洞的復(fù)雜性會以物理定律所允許的最快速度不斷增長。

　　加州理工學院理論物理學家約翰·普瑞斯基爾(John Preskill)同樣也在利用量子信息理論來研究黑洞，他認為，薩斯坎德的想法很有趣。“這種計算復(fù)雜性的概念在很大程度上是計算機科學家可能想到的東西，通常不是物理學家能玩得轉(zhuǎn)的。”普瑞斯基爾說，“而它也許對應(yīng)于黑洞的某個特性——了解廣義相對論的人都能很自然地想到這種特性——這一點真的很酷。”這種特性指的就是黑洞內(nèi)部的增長。

　　對于薩斯坎德理論的含義，研究人員仍然感到困惑不解。斯坦福大學理論物理學家阿隆·沃爾(Aron Wall)說，“這個提法固然令人興奮，但在很大程度上仍然屬于推測，也許并不正確。”沃爾表示，為了闡明量子相互作用的復(fù)雜性是如何跟空間體積對應(yīng)起來的，挑戰(zhàn)之一是要在黑洞的語境下定義復(fù)雜性。

　　普林斯頓高等研究院的黑洞專家道格拉斯·斯坦福(Douglas Stanford)指出，一個潛在的教益是，“黑洞擁有某種內(nèi)部時鐘，它的時間走得非常非常慢。對于一個普通的量子系統(tǒng)，那是狀態(tài)的復(fù)雜性。而對于黑洞，那是視界后面區(qū)域的大小。”

　　假如復(fù)雜性確實是黑洞內(nèi)部空間體積的基礎(chǔ)，薩斯坎德預(yù)見，這將對我們對宇宙學的理解產(chǎn)生影響。“不僅是黑洞內(nèi)部會隨著時間推移而增長，宇宙學的空間也會隨著時間推移而增長。”他說，“宇宙學空間增長是否跟某種類型的復(fù)雜性增長存在關(guān)聯(lián)，我覺得這是一個非常有意思的問題。至于宇宙時鐘和宇宙演化是否也跟復(fù)雜性的演化有關(guān)，我不知道答案。”