在黑洞深處，空間的扭曲達(dá)到了令人難以理解的程度。在某個(gè)無限小的點(diǎn)上，密度達(dá)到無窮大，以至于用來描述質(zhì)量如何彎曲時(shí)空的愛因斯坦廣義相對(duì)論也不再適用——它就是奇點(diǎn)。在這里，人類既有的知識(shí)體系土崩瓦解。

盡管奇點(diǎn)令人望而生畏，但它們至少都安全地藏在黑洞的事件視界內(nèi)，無法被人類觀察到。所謂事件視界，是一種時(shí)空的曲隔界限。視界中任何的事件都無法對(duì)視界外的觀察者產(chǎn)生影響。黑洞周圍就是事件視界，即連光都無法逃脫的邊界。

可是，如果奇點(diǎn)確實(shí)能夠存在于黑洞之外呢？近年來，由于陸續(xù)有研究者證明廣義相對(duì)論允許奇點(diǎn)存在于黑洞之外，這促使理論物理學(xué)家們結(jié)合關(guān)于引力的量子基礎(chǔ)的最新研究和見解，從更深層面來研究奇點(diǎn)。美國麻省理工學(xué)院的內(nèi)塔·恩格爾哈特表示，這些新見解“顛覆了我們對(duì)奇點(diǎn)的傳統(tǒng)思維方式”。

盡管很多問題懸而待決，恩格爾哈特和她的同事們已經(jīng)開始破譯量子領(lǐng)域與經(jīng)典引力之間的神秘聯(lián)系，并強(qiáng)調(diào)了一個(gè)革命性的觀點(diǎn)，即后者就像全息投影一樣從前者中產(chǎn)生。

繞不過的裸奇點(diǎn)，或推翻宇宙監(jiān)督假說

“奇點(diǎn)是什么？這是一個(gè)令人生畏的問題。”參與哈佛大學(xué)黑洞計(jì)劃的埃維塔·韋黑伊登說，“我們不知道它們是什么，我們根本不知道該如何描述它們”。

1915年，廣義相對(duì)論發(fā)表后不久，物理學(xué)家們就開始尋找其方程的解。根據(jù)這些方程，一個(gè)密度極高的物質(zhì)球會(huì)極大程度地扭曲時(shí)空，使其向一個(gè)密度和曲率都無限大的點(diǎn)墜落——這就是一直困擾著廣義相對(duì)論的奇點(diǎn)。

起初，許多宇宙學(xué)家都希望奇點(diǎn)只不過是理論上的虛構(gòu)，但他們沒能如愿。1965年，著名宇宙學(xué)家羅杰·彭羅斯證明，奇點(diǎn)實(shí)際上是廣義相對(duì)論不可避免的結(jié)果，每當(dāng)物質(zhì)坍縮形成黑洞時(shí)，奇點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)。彭羅斯也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1969年，彭羅斯提出，奇點(diǎn)總是隱藏在事件視界后，事件視界是黑洞的外緣，在那里引力變得無比強(qiáng)大，任何事物，甚至是光都無法逃脫。這就是“宇宙監(jiān)督假說”，它認(rèn)為自然禁止任何可見或“裸露在外”的奇點(diǎn)。

物理學(xué)家們有充分的理由相信這一點(diǎn)，尤其是因?yàn)椤奥闫纥c(diǎn)”的存在會(huì)打破傳統(tǒng)的宇宙觀，即物理定律可以預(yù)測(cè)宇宙中會(huì)發(fā)生什么。美國田納西州納什維爾范德比爾特大學(xué)的黑洞專家亞歷克斯·盧普薩斯卡說：“只要你在黑洞之外，決定論就沒有問題。無論有什么壞事，都發(fā)生在視界內(nèi)?！?/p>

印度艾哈邁達(dá)巴德大學(xué)的宇宙學(xué)家潘卡杰·喬希卻表示，裸奇點(diǎn)不應(yīng)被這樣“一筆帶過”。這則未經(jīng)證實(shí)的假說，可能是防止廣義相對(duì)論失去預(yù)測(cè)能力的唯一因素。

近年來，理論物理學(xué)家們已經(jīng)證明，裸奇點(diǎn)確實(shí)可以作為廣義相對(duì)論和相關(guān)引力理論的結(jié)果出現(xiàn)。例如，一些研究人員預(yù)測(cè)存在不穩(wěn)定的“黑弦”，其性質(zhì)類似于黑洞，可以拉伸和掐斷，留下裸奇點(diǎn)。還有人認(rèn)為，當(dāng)黑洞發(fā)生碰撞或因緩慢釋放輻射而完全蒸發(fā)時(shí)，也可能出現(xiàn)裸奇點(diǎn)。

黑洞奇點(diǎn)藝術(shù)想象圖

根據(jù)其中一些說法，裸奇點(diǎn)只會(huì)出現(xiàn)在空間維度超過三維的假想宇宙中，或者出現(xiàn)在時(shí)空曲率與我們不同的宇宙中。韋黑伊登認(rèn)為，這些結(jié)果仍會(huì)對(duì)我們的宇宙有影響，因此，這些裸奇點(diǎn)可以被認(rèn)為是目前所知的宇宙監(jiān)督假說不成立的標(biāo)志。

密碼監(jiān)督論，從量子到經(jīng)典的轉(zhuǎn)譯

當(dāng)我們仰望夜空時(shí)，為何看不到任何裸奇點(diǎn)？恩格爾哈特說：“據(jù)我們所知，黑洞存在而裸奇點(diǎn)不存在，這需要某種解釋?！?/p>

為了找出答案，2023年，恩格爾哈特、韋黑伊登與麻省理工學(xué)院的麗莎·楊、奧斯蒙德·?？怂顾潞蛠啴?dāng)·萊文，開始從一個(gè)全新的角度來研究宇宙監(jiān)督假說。美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的加里·霍洛維茨表示，他們?nèi)ツ甑难芯砍晒蛄孔影姹镜挠钪姹O(jiān)督論邁出了第一步，“這是一個(gè)重大進(jìn)展”。

恩格爾哈特和她的團(tuán)隊(duì)沒有在經(jīng)典時(shí)空理論中尋找裸奇點(diǎn)，而是在量子引力的假設(shè)框架內(nèi)研究了奇點(diǎn)和事件視界的性質(zhì)。量子引力旨在將廣義相對(duì)論和量子力學(xué)這兩大現(xiàn)代物理學(xué)支柱統(tǒng)一起來。恩格爾哈特表示，他們的目標(biāo)是找到一種能夠確保形成事件視界的條件。

具體來說，他們使用了一種名為“全息術(shù)”的量子引力方法。其原理是，根據(jù)量子理論的描述，高維時(shí)空從低維中產(chǎn)生，方式大致接近從平面投射出全息圖。高維和低維這兩種對(duì)現(xiàn)實(shí)的描述是對(duì)應(yīng)的，你可以設(shè)想自己用一本“經(jīng)典-量子互譯詞典”（專業(yè)稱謂是AdS/CFT對(duì)偶），在這兩種描述之間進(jìn)行轉(zhuǎn)譯。AdS是“主體”時(shí)空，CFT是時(shí)空的量子表面，亦稱“邊界”。

麗莎·楊說，研究人員在描述這兩個(gè)領(lǐng)域的語言之間來回轉(zhuǎn)換，就是想看看主體時(shí)空的奇點(diǎn)在CFT中是否有特征，例如黑洞如何出現(xiàn)在CFT中。

恩格爾哈特表示，至少對(duì)于量子引力理論家來說，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，黑洞在CFT中的表現(xiàn)是“最大程度的混沌”。這意味著系統(tǒng)對(duì)其初始條件非常敏感，哪怕微小變化都會(huì)導(dǎo)致截然不同的結(jié)果。他們由此發(fā)現(xiàn)，CFT中一個(gè)與之密切相關(guān)的概念“偽隨機(jī)性”也與主體時(shí)空中事件視界的存在相關(guān)。盧普薩斯卡說：“你可以用它來診斷黑洞的形成?！?/p>

他們把偽隨機(jī)性和事件視界之間的這種新聯(lián)系稱為“密碼監(jiān)督”，因?yàn)樗昧肆孔有畔⒑兔艽a學(xué)領(lǐng)域中日益豐富的一組工具來解決基礎(chǔ)物理學(xué)中的問題。這些聯(lián)系會(huì)產(chǎn)生一個(gè)奇怪的后果：如果你以足夠的隨機(jī)性對(duì)一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，那么它本身就有可能變成一個(gè)黑洞。

編程創(chuàng)造“黑洞”，量子計(jì)算機(jī)或會(huì)坍縮

從表面上看，利用量子物理學(xué)處理信息的量子計(jì)算機(jī)與黑洞沒有什么關(guān)系。但近年來，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些蛛絲馬跡：旨在提高量子計(jì)算機(jī)魯棒性的算法（即糾錯(cuò)碼）與宇宙的基本結(jié)構(gòu)之間存在著深刻的聯(lián)系。

根據(jù)“全息術(shù)”的原理，時(shí)空出現(xiàn)于一個(gè)受量子力學(xué)支配的平面，就像全息圖一樣。當(dāng)研究人員更仔細(xì)地研究這個(gè)模型時(shí)，他們的計(jì)算結(jié)果表明，時(shí)空出現(xiàn)的機(jī)理似乎很像量子糾錯(cuò)碼。

這就引出了一個(gè)瘋狂的問題：如果你將黑洞的量子描述編程到量子計(jì)算機(jī)中，那么在量子計(jì)算機(jī)附近是否真的會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的時(shí)空？也就是說，你是否會(huì)在這個(gè)過程中創(chuàng)造出一個(gè)真正的黑洞？盧普薩斯卡說，“我們還沒開始嚴(yán)肅探討這些含義，也許是時(shí)候認(rèn)真對(duì)待這個(gè)問題了”。

2024年9月20日，在2024世界制造業(yè)大會(huì)上，參觀者在參觀“本源悟空”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)模型。（圖/新華社發(fā)）

今年早些時(shí)候，恩格爾哈特和她的合作者提出，只要有足夠的偽隨機(jī)性，就會(huì)形成黑洞的事件視界。目前，我們還沒有足夠強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，無法用足夠的偽隨機(jī)性對(duì)其進(jìn)行編程，從而產(chǎn)生黑洞。但是，恩格爾哈特說，原則上沒有什么阻礙。

如果考慮到將偽隨機(jī)性編程到計(jì)算機(jī)中就相當(dāng)于進(jìn)行非常復(fù)雜的計(jì)算，需要大量的信息，那么量子計(jì)算機(jī)能夠創(chuàng)造黑洞的想法就更容易理解了。麗莎·楊說，“這涉及大量的量子比特，涉及小空間內(nèi)的大質(zhì)量。因此，根據(jù)定義，它必須坍縮成一個(gè)黑洞?！?/p>

盧普薩斯卡說，“這是否意味著你通過這種非常復(fù)雜的計(jì)算創(chuàng)造了一個(gè)黑洞？我認(rèn)為答案是肯定的?！彼押诙葱稳轂椤坝钪嬷忻芏茸畲蟮挠脖P”。

當(dāng)然，一旦量子計(jì)算機(jī)坍縮成黑洞，就無法再訪問了?！俺悄阕约壕驮诹孔佑?jì)算機(jī)里，”韋黑伊登說，“但那時(shí)你也在黑洞里”。

大型裸奇點(diǎn)，量子引力時(shí)空高度可預(yù)測(cè)

在此基礎(chǔ)上，研究小組制定了量子版本的“宇宙監(jiān)督論”，這在一定程度上解釋了為什么我們看不到裸奇點(diǎn)。

研究人員認(rèn)為，CFT中時(shí)空奇點(diǎn)的特征就是這種隨機(jī)性。這意味著，任何撞擊奇點(diǎn)的傳入物質(zhì)或場都會(huì)被反射，從而使奇點(diǎn)看起來是隨機(jī)的，因?yàn)樽矒魧?shí)際上擾亂了奇點(diǎn)的外觀。韋黑伊登表示，他們推測(cè)出了“量子宇宙監(jiān)督論”，即在量子引力中，經(jīng)典裸奇點(diǎn)不應(yīng)該存在。

需要明確的是，在CFT的隨機(jī)性不足以產(chǎn)生事件視界的情況下，“密碼監(jiān)督論”允許存在非常小的裸奇點(diǎn)，比如黑洞蒸發(fā)時(shí)留下的奇點(diǎn)。只是它們太小了，無法干擾到?jīng)Q定論。

恩格爾哈特說，無論如何，這項(xiàng)研究顛覆了人們對(duì)大型裸奇點(diǎn)的看法。從廣義相對(duì)論的角度來看，裸奇點(diǎn)是讓時(shí)空和可預(yù)測(cè)性崩潰的點(diǎn)。但在量子引力中，大型裸奇點(diǎn)將處于“高度可預(yù)測(cè)的時(shí)空”中。

這是因?yàn)槭录暯缡请S機(jī)性的結(jié)果。所以假設(shè)你要移除事件視界，以便露出裸奇點(diǎn)，那么隨機(jī)性也會(huì)隨之消失。換句話說，大型裸奇點(diǎn)即使存在，也不會(huì)像我們假設(shè)的那樣充滿隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性。

盡管如此，量子版本的宇宙監(jiān)督論也并不能無懈可擊地證明宇宙中沒有潛伏著裸奇點(diǎn)。首先，“經(jīng)典-量子互譯詞典”所描述的時(shí)空曲率與我們所處宇宙的時(shí)空曲率并不相同。量子引力理論學(xué)家們以此為切入點(diǎn)，是因?yàn)檫@可以讓他們完成原本難以完成的物理學(xué)任務(wù)。它可能與量子引力在我們這個(gè)宇宙中的具體運(yùn)行原理有關(guān)，但也可能無關(guān)。盧普薩斯卡認(rèn)為這是一個(gè)開放性問題。

未參與這項(xiàng)研究的麻省理工學(xué)院丹尼爾·哈洛說：“他們展示的成果帶有宇宙監(jiān)督論的意味。這更像是宇宙監(jiān)督的一個(gè)結(jié)果，如果你能證明其中的一個(gè)結(jié)果，那么你就可以把它看作宇宙監(jiān)督論也成立的證據(jù)?！?/p>

根據(jù)密碼監(jiān)督論，裸奇點(diǎn)總是被事件視界所掩蓋，從而確保黑洞是比裸奇點(diǎn)更為常見的狀態(tài)。哈洛說：“如果這點(diǎn)不成立，我們用‘經(jīng)典-量子互譯詞典’搭建的紙牌屋就會(huì)轟然倒塌?！?/p>

此外，研究小組還希望更全面地掌握這本“全息詞典”將量子世界轉(zhuǎn)譯為經(jīng)典引力的復(fù)雜方式。這項(xiàng)工作很困難，拖累了研究進(jìn)度。恩格爾哈特說：“這部分研究受到了很多阻礙，因?yàn)槭录暯绫澈蟮氖挛锓浅Ｉ衩兀椅覀儫o法將視界的影響與奇點(diǎn)的影響區(qū)分開。”

目前，宇宙監(jiān)督論仍未得到證實(shí)。但真正引起理論家們興趣的是，通過深入思考這一猜想，我們能了解到黑洞和量子引力的本質(zhì)。即使這個(gè)猜想看起來越來越靠譜，不少宇宙學(xué)家仍希望宇宙監(jiān)督論不是真的?；袈寰S茨說：“如果能看到裸奇點(diǎn)，我們會(huì)很高興，因?yàn)槟菢拥脑挘覀儗?shí)際上就有辦法獲得量子引力的觀測(cè)證據(jù)?！?/p>