物理学家可能找到了探索黑洞信息悖论的新途径

研究人员首次借助粒子物理学的数学方法，在未观测真实黑洞的情况下重现了霍金辐射。

黑洞有一个物理学家至今仍无法解释的难题。根据斯蒂芬·霍金的著名预言，黑洞并非完全黑暗，它们会极其缓慢地释放出一股极微弱的粒子流，即霍金辐射。

经过足够长的时间，这种辐射会使黑洞收缩，并最终完全消失。然而，这在物理学中引发了一个严重矛盾：如果黑洞消失了，那么困在其中的所有信息会怎样？

量子物理学认为信息不可能被摧毁，但黑洞蒸发似乎指向相反的结论。

几十年来，科学家一直为这个难题所困，因为霍金辐射太微弱，无法直接观测，而连接引力与量子物理的数学又出了名的困难。

如今，一个国际研究团队找到了一条意想不到的新途径来研究这个问题。他们没有直接处理黑洞，而是借助一种名为“双重拷贝”（double copy）的数学框架，将霍金辐射翻译成了粒子物理学的语言。

“这让我们能够计算出以前从未能计算的东西，不过是巧妙地复用已有的结果，”研究人员之一、伦敦玛丽女王大学的物理学家克里斯·怀特说。

引力与粒子之间隐藏的桥梁

双重拷贝是一种在过去十年里重塑了部分理论物理学的思想。其核心概念是，某些描述引力的方程可以在数学上用粒子物理学方程重新表述。

这一点很重要，因为现代物理学被分成了两套独立的框架。爱因斯坦的广义相对论解释引力、黑洞以及宇宙中大质量物体的运动。

而标准模型则解释支配量子世界的微小粒子和力。

两种理论各自都极其有效，但在黑洞等极端环境中却难以调和。双重拷贝几乎就像是这两个世界之间的翻译工具。

简单来说，物理学家有时能把一个困难的引力计算，转变为一个更容易处理的粒子物理学计算。

这项技术已被用来更好地理解若干引力现象，但霍金辐射仍是缺失的一环。此前，科学家从未为霍金辐射找到恰当的标准模型对应物。这一空白限制了双重拷贝在黑洞研究中的用处。

将霍金辐射转化为粒子碰撞

在这项新研究中，研究人员终于找到了霍金辐射的一个数学类比。转换后的版本不再是描述粒子从黑洞中逃逸，而是描述一个带电粒子与一个由荷电物质组成的、正在坍缩的球壳相互作用。

“我们考虑的是一个无质量标量粒子在一个坍缩的电磁背景中的散射，”研究人员在描述这个用于在数学上模拟霍金辐射的粒子物理装置时写道。

令人惊讶的是，描述这一散射过程的数学与支配霍金辐射的方程相吻合。另外两个研究团队也在各自独立的研究中得出了密切相关的结论，这进一步增强了信心，表明这种联系是真实的，而非巧合。

这些论文共同表明，黑洞物理的一些重要特征可能早已编码在普通的粒子物理学方程之中。

这一结果意义尤其重大，因为霍金辐射处于两个截然不同尺度的交汇点上。黑洞属于由引力支配的巨大宇宙天体领域，而发射出的粒子则属于微观量子世界。

双重拷贝能将这两个尺度连接起来，说明引力与粒子物理学之间的关系可能比科学家此前意识到的更加深层。这个新框架还可能为物理学家提供一条绕过重大实验难题的路径。

既然来自真实黑洞的霍金辐射过于微弱而无法直接探测，研究人员或许可以通过数学方式来研究它的粒子物理学对应物。这或许能让他们去探索此前无法触及的黑洞行为的方方面面。

黑洞悖论可能有了新的试验场

这项工作并没有解决黑洞信息悖论，但为科学家提供了一种解决它的全新方式。

研究人员现在希望能进一步推进双重拷贝框架，寻找其他黑洞特征的粒子物理学等价物，甚至包括事件视界本身——也就是那个任何东西都无法逃脱的边界。

如果这些联系也能被成功绘制出来，物理学家或许就能用最初为粒子碰撞开发的方法来研究黑洞的某些方面。

这将代表着研究人员处理量子引力——现代科学中最大的未解难题之一——的方式发生重大转变。

不过，就目前而言，这项研究仍完全是理论性的，并且当前的数学映射只适用于经过精心控制的情形，而不适用于现实中的天体物理黑洞。

这项研究发表在arXiv上。

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