科學家發現理解黑洞的新路徑

　　物理學家發現了一種新方法，通過繪制黑洞的詳細結構圖，重新定義了黑洞的概念，新的見解可能會讓人們更深入地理解理論物理中的黑洞微觀結構。相關研究成果近日發表于《高能物理雜志》。

　　該研究詳細介紹了名為“超迷宮”的新理論結構，這些結構為理論物理學領域提供了關于黑洞的更普遍的圖景。基于弦理論的“超迷宮”對于理解黑洞的微觀結構至關重要。

　　“廣義相對論是一種強大的理論，用于描述黑洞的大尺度結構，但它是一種非常粗糙的工具，用于描述黑洞的微觀結構，”該研究的共同作者、南加州大學多恩西夫學院物理、天文和數學教授Nicholas Warner說，“在超越愛因斯坦方程的理論框架中，‘超迷宮’為我們提供了關于膜黑洞微觀結構的詳細畫像。”

　　黑洞是一種引力強大到足以捕獲光線的天體，而傳統廣義相對論中的黑洞被事件視界所包圍。從事件視界之外看，這與量子力學的基本原理不一致。在超越廣義相對論的量子引力理論中，黑洞必須表現出大量的微觀結構。

　　弦理論可以通過用一種“毛球”的概念性物體取代傳統黑洞來實現這一點。Warner展示了如何從高維時空中物理對象的超迷宮中實際構建毛球，從而創造出一個表現得像黑洞但又展現出其所有結構的物體。

　　“假設你想得到一幅米開朗基羅的《最后的審判》的畫像：帶有視界的廣義相對論就像使用只有一個像素的相機。”Warner說，“你看到的只是一抹色彩。我們早期的工作為我們提供了一幅可能有1000個像素的畫像：結構的輪廓和一些陰影。而超迷宮則像是擁有數十億個像素，使我們能夠詳細地欣賞這幅杰作。”

　　這項新的研究以物理學中的一個理論框架——M理論為中心，后者與弦理論密切相關。M理論認為，作為宇宙基本構成單元的弦并非一維的，而是以“膜”的形式存在于更高維度中，這些膜是延伸到多個空間維度的物理對象。膜的多維表面在弦理論和M理論中起著關鍵作用。

　　“在這篇論文中，我們探索了在超引力（M理論的低能近似）領域內二維的M2膜和五維的M5膜的交叉系統。”Warner說，“我們可以將迷宮視為‘基底’，所有關于形成黑洞或落入黑洞的信息都可以編碼在上面。”

　　通過研究控制這些膜交叉的迷宮函數，該研究揭示了迷宮如何能夠重現黑洞的熵，并可能描述黑洞的微觀態。

　　膜的交叉在弦理論中已經被廣泛研究，但這篇新論文重新設計了這些概念，以提供能夠描述黑洞的新幾何結構。該研究開發了一種“迷宮函數”，這是一種新的數學結構，用于描述超引力中M2和M5膜交叉系統的解。迷宮函數必須滿足一個類似于著名的蒙日-安培方程的非線性微分方程，后者控制著M2和M5膜交叉的幾何形狀和動力學。

　　“迷宮函數在將膜配置與超引力解聯系起來方面發揮著關鍵作用，這反過來又為我們探索黑洞微觀態提供了一種新方法。”Warner說，“迷宮函數就是那個擁有數十億像素的相機，能夠為我們提供黑洞微觀結構的深入而詳細的圖像。”

　　Warner表示，這只是開發全面弦理論描述膜黑洞微觀結構的更大計劃的第一步。