神奇的弦理論,居然能把黑洞算得明明白白的!

2020-11-29 騰訊網

根據霍金等人證明的 「黑洞無毛」定理，宇宙中所有的黑洞有且只有三個基本量：質量、角動量和電荷；除此之外沒有任何信息了。後來霍金又提出了「黑洞蒸發」理論，也就是我們說的「霍金輻射」，這個理論簡單來說，就是黑洞可以通過這種熱輻射的方式把自己蒸發掉。

霍金

那麼，問題就來了：黑洞不是只有質量、角動量和這電荷三個基本量嗎，那它熱輻射的溫度是哪裡來的呢？雖然霍金輻射非常非常慢，也就是散發的溫度非常非常低，甚至比宇宙微波背景輻射還要低，所以說目前無法觀測到。但是黑洞散發的輻射終究是有溫度的，那這個黑洞的溫度是怎麼來的呢？下面就給大家解釋一下。

首先，其實我們所說的這個溫度是要打引號的。因為日常生活中宏觀世界的「溫度」，它是一個次級衍生概念，它的本質其實是微觀世界分子的運動；一堆分子運動的越激烈，物體的溫度就越高。那麼黑洞的溫度就可以解釋為某種更加基礎的物體的運動了，相當於是黑洞的「分子」，那這個黑洞的「分子」究竟是什麼呢？弦理論認為，它就是黑洞視界面所在的膜上的開弦。

霍金輻射

於是黑洞的溫度就可以解釋為開弦的震動，注意這裡只用開弦進行解釋的最大特點是，它不用包含引力，因為引力是閉弦。但是黑洞的產生就是因為引力，怎麼這裡不用引力怎麼解釋呢？結果是，通過弦理論計算的黑洞溫度，和霍金通過引力理論計算出來的一模一樣！這也是弦理論和現有理論相互驗證的一個例子。

粒子的運動

傳統引力理論和弦理論，一個包含引力，一個不包含引力，但是都得到了相同的答案！為什麼會這樣呢？後來隨著 「馬爾達西納對偶」的發現，科學家認為9維空間的超弦理論，其實與3維空間的量子理論是等同的！該對偶的發現，同時也代表著人類在理解弦理論和量子引力理論方面取得了重大的進步！

雙黑洞系統

回到黑洞的溫度，它可以理解為 「熵」，也就是黑洞熵的概念。它是描述包含黑洞那三個基本量在內的一種內部狀態量。關於黑洞熵，目前認為它和黑洞的視界面的表面積成正比。可以說黑洞的所有信息都在其視界面上；所以理論上來說，只要觀察黑洞的表面，就可以了解它的內部。黑洞的視界面，就如同電影的熒幕一樣，反映了黑洞內部的一切，這就是引力的全息理論。

人類拍到的首張黑洞照片

就像溫度這個次級概念一樣，其實我們說的空間理論上也是一種次級概念。它可能只是某種東西表現出來的呈展現象；但是這個東西是什麼，目前還不得而知。其實放眼整個宇宙，對人類來說有太多的未解之謎，可能我們永遠也無法一一查明真相。但是好奇心這顆種子一定不能少，只有他它才能促使我們向未知領域不斷邁進。

相關焦點

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    事實上，弦理論的一個主要名聲是他們對黑洞的更合理的處理。主要是通過消除奇點。這裡最大的建議是，事件視界內的整個區域都充滿了他們所稱的「模糊球」——退化（塌陷）物質的最終狀態，它不能再塌陷下去。沒有奇點。
  • 在弦理論基礎上,黑洞毛毛球理論出現,它顛覆了我們對黑洞的認知
    廣義相對論中對黑洞的描述 黑洞是宇宙中最神秘的物體，它出現在愛因斯坦的廣義相對論中，根據理論描述如果一個物質被壓縮到足夠小的體積，那麼引力就會變得極其強大，這種瘋狂的引力壓縮能勝過自然界其他四種基本力，而且一旦達到某個臨界值，物質就會不斷擠壓，壓縮到一個無限小的點。
  • 弦理論黑洞帶來的時間空間本質疑問
    最近一些年，弦理論大火，所為我也跟風閱讀了一本美國斯蒂文斯科特古布澤教授寫的弦理論，書寫的很淺顯易懂，普通人都能看懂。真正研究弦理論還是很難的，要解多重偏微分方程，現在都是計算機解算這些東西。弦理論就是把所有研究的對象都當成一種弦，一共有很多種弦。空間就是很多弦組成，感覺有一點像蜘蛛網。
  • 弦理論和M-弦理論
    為此，科學家提出了弦理論，不久經過兩次變革，衍生出了如今的M-理論。    為什麼會誕生弦理論？過去兩個世紀的科學家都致力於研究大爆炸之前的宇宙，目前，暴脹場讓我們知道了大爆炸之前的「宇宙黑暗世紀」的模樣，但再追溯到那個「點」，我們就沒有再科學的理論來支持了。於是我們決定到黑洞裡去尋找答案（因為黑洞奇點和我們稱為宇宙開端的極為相似）。
  • 弦論學家:黑洞並不存在,取而代之的是弦球
    這還不是黑洞的唯一問題。在1976年的時候，霍金髮現由於量子力學的怪異，黑洞會發出輻射並慢慢蒸發。但這導致了一個問題，落入黑洞的信息被鎖在內部，但霍金輻射又不能發出信息，當黑洞消失時，這些信息哪裡去了？幾十年來，物理學家一直在尋找一種理論，可以用來解釋信息悖論，同時可以替代黑洞中心的奇點。
  • 荷蘭科學家提出：沒有弦理論也能解釋引力
    當我們在宇宙中觀察到引力效應時，比如行星的運動或光通過接近黑洞時，一切似乎都遵循愛因斯坦在其廣義相對論中描述的規律。另一方面，量子力學是一種在原子和亞原子粒子的最小尺度上描述自然界物理特性的理論。雖然這兩種理論使我們能夠解釋觀察到的每一種基本物理現象，但它們也相互矛盾。
  • 弦理論到M理論,你知道弦理論的發展軌跡,和弦理論的科學依據嗎
    畢竟沒有科學證據能夠證明，宇宙大爆炸實實在在的發生過，同時現在的科學家開始有了一系列新的發現，弦理論就是在這個基礎上，逐漸的開始發展起來，隨著我國科教頻道的一個紀錄片出現，弦理論更加引起大家的注意。所以弦理論幾乎處於一個停滯的階段，這讓科學界對於弦理論是否正確，開始提出了一系列的質疑。隨著科學的不斷發展，重離子和超重力開始出現，此時弦理論終於找到了一些依據。一九八零的時候終於第一個超弦理論模型出現了，這個科學研究帶來了一個新的變化。
  • 在宇宙中,弦理論這種「神奇」的理論能告訴我們些什麼呢?
    在這個標準模型中，科學家使用這些各種詳細的數學理論來整合對物質和力的描述。當物理學家試圖預測他們昂貴的粒子對撞機會發生什麼時，它就形成了計算的基礎。無論是設計新技術，進行新的實驗，甚至研究黑洞的性質，它們都是從長期測試的標準模型的數學方程開始的。標準的型號漂亮簡單，但似乎並不完整。
  • String Theory 弦理論
    弦論是現在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統一起來的理論。弦理論是一門理論物理學上的學說。理論裡的物理模型認為組成所有物質的最基本單位是一小段「能量弦線」，大至星際銀河，小至電子，質子，夸克一類的基本粒子都是由這佔有二維時空的「能量線」所組成。中文的翻譯上，一般是譯作「弦」。超弦理論可以解決和黑洞相關的問題。
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    弦理論便由此誕生，弦理論之所以如此精妙，是因為它用不同的弦振動模式描述了許多不同的基本粒子。就像小提琴不同的弦振動，能夠發出不同的音，弦的各種振動模式就產生不同的粒子。最重要的是，其中就包括了重力，弦理論可以統合宇宙中所有的基本作用力，這引起了巨大的熱潮。
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    許多物理學家的夢想，包括愛因斯坦，都是為了找到一個統一的理論來描述所有的自然現象。在過去幾十年，就有這樣一個理論出現了：弦理論。特別是，發展到後來的M理論。在M理論中，物質不再是由標準模型中所認為的點粒子組成的，而是由一維的振動弦構成的，並且是在11維的時空內。這些弦的不同振動方式代表了不同的基本粒子。
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  • 弦理論,想看看「弦」長什麼樣子嗎?那來一臺「環銀河顯微鏡」吧
    看過一些弦理論科普的小夥伴，應該都知道，弦理論認為所有的基本粒子都是由一維的「弦」組成的，而這根弦的不同震動方式，使它們具有了不同的性質，從而決定了它們成為了不同的粒子。開弦構成了我們所能看到的所有物質，包括光子、電子這些都是開弦構成的。閉弦構成的東西就比較少了，但是由它構成的東西，卻又極其重要，也是目前的大統一理論一直搞不定的那個東西，就是引力。
  • 十個問題帶你認識弦理論
    三位獲得者分別是Joseph Polchinski，Andrew Strominger 和 Cumrun Vafa，以表彰他們在弦理論及其對黑洞、宇宙的意義方面取得重大突破。雖然弦理論還未獲得實驗驗證，但突破基金會的創始人Yuri Milner表示：「物理學獎是對智力成果的一個肯定，有時候這可能是提出一個很有創見性的問題，並不是只頒發給給出答案的人。這是和諾貝爾獎的一個重要區別。」
  • 弦理論簡說
    如果我們很努力地去觀察,能觀察到模糊的一團,但不是粒子本身,我們僅僅知道它們存在在那裡,但要是只能到這個地步的話,我們怎麼對它們進行科學研究呢？和前人一樣，我們創立了一套新的理論,一種數學化的虛構,點粒子理論。
  • 弦理論過於縹緲，科學家找了新的理論來解釋引力
    但是，由荷蘭拉德堡德大學（Radboud University Nijmegen）物理學家領導的國際合作現在提供了令人信服的證據，即弦論並不是唯一可以形成這種聯繫的理論。他們證明，有可能構建一個無須遵守弦理論且符合物理學所有基本定律的量子引力理論。
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  • 弦理論可能被驗證嗎?我們又該如何看待對弦理論的批評?
    對於弦理論來說，那是一個黑暗的年代，尤其當人們發現那些「弦」只能在10維和26維中振動時，一些頑強堅持研究弦理論的人被看成是愚昧而頑固不化的「異類」。弦理論的先鋒人物、加州理工學院的約翰·施瓦茨就曾被理察·費曼詼諧而又諷刺地問：「約翰，那麼你今天進入了幾個維度？」
  • 弦理論已死?一個包羅萬象理論,奏出物質之音
    現代物理學背靠的是兩大支柱：一個是愛因斯坦的相對論，它為大尺度宇宙（如恆星、星雲、星系甚至黑洞）提供了理論框架；另一個是量子力學，在這個框架下可以認識到小尺度宇宙（原子、分子甚至更小的電子夸克）。沒錯，我們在日常說的宇宙只是大尺度宇宙，更小的粒子也是宇宙，雖被稱為小尺度，但這一世界的宏大可以超出你的想像。