D-膜黑洞:弦論的“大殺器”!算了大半輩子,還是比不過20歲的霍金丨黑洞戰爭 17丨AC茂的模

閒論有點像一套非常複雜的數學玩具
帶有各種不同的組件
這些組件可以通過某種自洽的模式拼湊在一起
但是在1993年之前
用來構造黑洞的一些重要的組件還沒有被發現
印度物理學家阿修科·西恩是第一個嘗試組裝極端黑洞
並檢驗黑洞傷的閒論理論的人
西恩是一位害羞的
帶着很重的孟加拉口音的小個子
他的演講以思路清晰聞名
在理論物理學家中
西恩的地位很高
他不僅是一位深刻的思想家
也是一個技巧上的奇才
西恩的黑洞是由在1993年已知的一些組件構成
基本弦和六個額外圍
西恩接下去做的事情很簡單
但是非常聰明
他基本的想法就是考慮一根處於極高激發態的弦
而且這根弦在一個緊直方向上纏繞了許多圈
這樣的弦比普通的粒子要重一些
因爲它需要能量來纏繞在柱面上
在典型的弦理論中
這根纏繞着柱面的弦的質量可能比普朗克質量還要大幾個百分點
接着西恩用單根弦在柱面上纏繞兩圈
弦論的規則是這樣的
繞數是二的弦要比繞數是一的弦來的重
但是如果弦在一個緊直方向上纏繞數十億次會怎樣呢
沒有極限限定弦在這個緊直的空間方向上能繞多少次
最終它將變成一個跟恆星甚至星系一樣重的東西
但是它在三維所佔據的空間很小
所有的質量都被禁錮在如此小的一個空間中
那麼一定會形成黑洞
西恩還用了一個技巧
沿着弦擺動
一根具有彈性的弦上面的擺動並不是固定不變的
它們沿着弦運動就像波一樣
有一些順時針移動
有一些逆時針移動
兩個朝着同方向移動的波不會相撞
而兩個以相反方向移動的波則必將相撞
一旦兩個波相撞
情況就會變得非常混亂和複雜
所以西恩選擇用步伐一致的不會相撞的順時針波來儲藏所有隱藏的信息
當所有組件被裝配起來
各個控制器被開啓
西恩的弦就沒有其他的選擇了
只能變成黑洞
但是不同於普通的黑洞
這類極端黑洞非常特殊
在一個緊直方向上纏繞一根弦會帶來電荷
每繞一圈就會帶來一個單元的電荷
如果弦是朝一個方向旋轉
那麼它將帶正電
如果它朝另一個方向旋轉
那麼它將帶負電
西恩的那些巨大的繞法多樣的弦
就可以看作是有引力聚集在一起的一個帶電黑洞
面積是一個幾何概念
時空的幾何是由愛因斯坦的廣義相對論所決定的
唯一能知道黑洞世界面積的方式
就是用愛因斯坦的隱祕場方程計算它
西恩是一個解方程的大師
他很輕鬆地解除了這個他製造出來的特殊黑洞的方程
並計算了世界的面積
但西恩萬萬沒想到答案居然是零
也就是說世界縮小到了一個空間點
而不是一個巨大的球殼
這不僅僅是黑洞的麻煩
也與全息原理有着直接的矛盾
一個空間區域的最大的傷
就是它以plunk單元爲單位的面積
西恩很清楚地意識到哪裏出了問題
愛因斯坦場方程是經典的
這意味着這一方程忽略了量子擾動
除去量子擾動
在氫原子中的電子會掉向原子核
而整個原子的大小不會超過一個質子
但是由不確定性原理導致的量子的零點運動能
使得原子要比原子核大一萬倍
西恩意識到同樣的問題可能發生在世界上
雖然經典物理預言它將收縮成一個點
但是量子擾動將使它膨脹並形成一個延伸世界
西恩粗略地估算了一下
發現傷和延伸世界的面積確實是成正比的
但他並不能精確地確定量子擾動會使世界延伸多少
因此這一工作只能以一個模糊的正比關係結束
這樣的結果是不可能說服霍金的
想製造一個玩法設想的那種有着巨大經典世界的極端黑洞
還需要新的組件
幸運的是這個必要的組件在聖巴巴拉被發現了
那就是波爾欽斯基的帝模
閒論圈的人普遍認爲帝模應該被稱爲P模
這裏的P就是波爾欽斯基的首字母
但是在他發現這個模的時候
P模這個術語已經被用在一個不相關的東西上了
所以波爾欽斯基就用了19世紀德國數學家約翰·狄利克雷的名字給他們命名
稱他們爲帝模
在模理論中
0維的點就是0模
1維的弦是1模
2維的模是2模
那麼3模呢
有這樣的東西嗎
想象一塊立方體的空間區域
這就是一個3模
顯然我們沒有辦法把一個4模填入3維的空間中
但是如果空間具有額外的緊緻維
4模中的一個方向就可以沿着緊緻方向延伸
推而廣之
如果總共有9個維度
那麼空間就可以使9維或9維以下的任意維度
理論物理學家們常常會發明一些新的概念
只是爲了擺弄擺弄他們
看看他們能導出什麼結果
1994年
波爾欽斯基第一次提出地模概念的時候
他正是這樣想的
看我們可以在弦論里加一些新的東西
這不是很好玩嗎
但是一年後
他就意識到地模彌補了弦論在數學上一個很大的漏洞
它的存在是一個必要補充
使不斷擴大的邏輯和數學網絡得以改進
爲了構造出極端黑洞
地模正是那個缺失的神祕組件
又一年後
瓦法和斯特羅明格發動了投襲
通過結合弦和地模
他們構造出一個帶有較大且明確經典世界的極端黑洞
因爲一個極端黑洞被認爲是一個大型的經典物體
量子礦洞只有在世界上面纔有一些不可忽視的效應
現在沒了擺洞
弦論就可以給出霍金公式中所蘊藏着的隱藏信息的總量了
這種用弦和地模構建的黑洞
雖然只是個數學模型
但是它是人們所尋找的大型經典世界中最簡單的結構
所有弦論的數學技巧都被用上了
包括全部的額外圍
弦
地模
還有許多其他的技巧
首先
這些弦被嵌在許多第五模上
這些模充滿了六個空間緊直方向中的五個
除此之外
它們還在其中的一個緊直方向上纏繞了大量的第一模
然後它們增加弦的數量
弦的兩頭都被按在地模上面
弦上那些露出來的片段將變爲包含着傷的世界原子
斯特羅明格和瓦法沿用了上一期裏提到的步驟
將控制器讀數調到0
這樣引力和電磁力將會抵消
沒有了這些力的干擾
就可以精確計算在開弦的擾動中能儲存多少傷
下一個步驟就是解決這類極端黑洞的愛因斯坦廠房城
斯特羅明格和瓦法發現世界的面積和傷並不僅僅是正比的
那些貼在模上的弦
其上的擺動所隱藏的信息與霍金的公式一致
就在斯特羅明格和瓦法在做他們工作的同時
普林斯頓的一個博士生
呼安·馬爾達西納完成了他的博士論文
馬爾達西納和他的導師卡蘭也將第五模和第一模以開弦結合
得到的結論同斯特羅明格和瓦法的結論相同
馬爾達西納甚至走得更遠一些
他的模型還可以用來計算準極端黑洞
一個極端黑洞在物理上是個很奇怪的東西
它有傷
但沒有熱能
也沒有溫度
但是也有例外
在某些特殊的系統中
即便是所有的能量被抽走後
仍有許多種重組系統的方式來隱藏信息
而且不增加能量
物理學家稱這些系統有着退化的基態
帶有退化基態的系統具有傷
它們可以隱藏信息
甚至是在絕對零度的情況下
極端黑洞是這些特殊系統的一個理想例子
它們處於絕對零度的時候
就意味着它們不蒸發
我們回到西恩的例子
在他的模型中
弦上的擺動都朝着一個方向運動
因此它們不會相互撞擊
但是假設我們加入一些反方向的擺動
那它們就會與原來的那些擺動相撞
這一過程將會加熱弦
提高溫度
和普通的黑洞不同
這些準極端黑洞不會完全的蒸發
它們會把它們過剩的能量排出去
並回到極端黑洞的狀態
卡蘭和馬爾達西娜能用弦論來計算
準極端黑洞蒸發的速率
當兩個擺動朝着兩個相反的方向移動
並相撞時
它們會形成一個單個的更大的擺動
一旦這個更大的擺動形成
便沒有東西可以制止它脫離出來
它們對蒸發的速率做了非常具體的計算
得到的結果與用霍金20歲時的方法
所得到的結果完全一致
只有一個重要的區別
卡蘭和馬爾達西娜所做的
只是用了傳統的量子力學的方法
儘管量子力學是以統計爲基礎的
但它並不允許信息丟失
因此沒有可能信息會在蒸發過程中丟失
黑洞商可以通過儲存在弦上擺動的信息來解釋
這個結論與包括霍金在內的
許多相對論學家的觀點衝突
霍金把黑洞看成是一個吞噬信息的東西
而不是一個儲存信息的容器
斯特羅明格和瓦法的計算證明
一個數學結果可以改變天平的傾向
在薩斯坦德看來
弦論的加入是打破黑洞戰爭平衡的關鍵
我個人作爲一個弦論反對者
對此持保留態度
但無論如何
有了波爾欽斯基和馬爾達西納的加入
勝利的天平確實已經倒向了量子派