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認(rèn)真閱讀下面的文章，并思考文末互動(dòng)提出的問題，嚴(yán)格按照互動(dòng)：你的答案格式在評(píng)論區(qū)留言，就有機(jī)會(huì)獲得由人民郵電出版社提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍《楊振寧講物理：基本粒子發(fā)現(xiàn)之旅》。

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，繞黑洞運(yùn)行的光子環(huán)竟呈現(xiàn)出一種特殊的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這縷璀璨光環(huán)很可能暗藏著解讀黑洞的終極密碼。

光子沖向黑洞時(shí)，大部分光子會(huì)被掠入深淵，永不復(fù)返，或是被輕輕彈開。但總有極少數(shù)光子幸運(yùn)兒能貼著黑洞邊緣玩起“太空漂移”，連續(xù)劃出U型軌跡，有些光子甚至?xí)h(huán)繞黑洞永不停歇地旋轉(zhuǎn)。

天體物理學(xué)家將這種光子環(huán)稱為“宇宙照相機(jī)”和“無限光阱”，這是自然界最奇異的現(xiàn)象之一。亞利桑那大學(xué)物理學(xué)家薩姆·格拉拉（Sam Gralla）說：“若能捕捉這些光子，宇宙里的每個(gè)物體會(huì)在你眼前出現(xiàn)無數(shù)次。”

事件視界是任何事物都無法逃脫的引力深 淵。與黑洞的標(biāo)志“事件視界”不同，環(huán)繞在更遠(yuǎn)軌道上的光子環(huán)，從未受到理論家們的太多關(guān)注。研究者們癡迷于事件視界是有道理的，畢竟事件視界標(biāo)志著人類認(rèn)知宇宙的邊界。在宇宙的大部分區(qū)域，引力遵循愛因斯坦廣義相對(duì)論中描述的時(shí)空曲率規(guī)律。但在黑洞內(nèi)部，時(shí)空扭曲極為嚴(yán)重，已超越廣義相對(duì)論的適用范圍。因此，尋求更真實(shí)、量子化的引力描述的量子引力理論家們一直關(guān)注著事件視界，試圖從中找到答案。

圖中橙色光暈即為光子環(huán)，展示光子在黑洞周圍流動(dòng)形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。——《量子雜志》奧列娜·施馬哈洛（Olena Shmahalo）。圖片來源：美國(guó)國(guó)家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心（ NASA’s Goddard Space Flight）/杰里米·施尼特曼（Jeremy Schnittman）

“我曾認(rèn)為事件視界才是需要攻克的關(guān)鍵，”哈佛大學(xué)的黑洞與量子引力專家安德魯·斯特羅明格（Andrew Strominger）坦言：“我認(rèn)為光子環(huán)只是一種技術(shù)性強(qiáng)、復(fù)雜的東西，沒有任何深遠(yuǎn)的意義。”

如今斯特羅明格本人的態(tài)度卻也像光子一樣，發(fā)生了360°U行大轉(zhuǎn)彎，并試圖說服其他理論學(xué)家加入他的研究。“我們正興奮地探索著一種可能性，即光子環(huán)是解開克爾黑洞秘密的關(guān)鍵，”他所指的克爾黑洞是一種由恒星死亡并引力坍縮形成的旋轉(zhuǎn)黑洞（光子環(huán)也同時(shí)形成）。

今年5月，斯特羅明格及其合作者在線發(fā)表了一篇論文，該論文最近已被《經(jīng)典與量子引力（Classical and Quantum Gravity）》期刊接受發(fā)表。他們發(fā)現(xiàn)，圍繞旋轉(zhuǎn)黑洞的光子環(huán)具有一種意想不到的對(duì)稱性，即經(jīng)過某種變換后仍能保持不變的特性。這種對(duì)稱性表明，該光環(huán)可能編碼了黑洞量子結(jié)構(gòu)的信息。斯特羅明格認(rèn)為：“這種對(duì)稱性似乎與理解黑洞量子動(dòng)力學(xué)的核心問題有關(guān)。”這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了研究者的爭(zhēng)論：光子環(huán)是否可能是黑洞“全息對(duì)偶”的一部分——即一種與黑洞完全等價(jià)的量子系統(tǒng)，黑洞可以被看作是從這種系統(tǒng)中以全息圖的形式浮現(xiàn)出來的。

“這為理解這些（黑洞）幾何結(jié)構(gòu)的全息性質(zhì)開辟了一個(gè)非常有趣的方向，”加拿大麥吉爾大學(xué)的理論物理學(xué)家亞歷克斯·馬洛尼（Alex Maloney）表示道，他并未參與這項(xiàng)研究，“新的對(duì)稱性重新組織了遠(yuǎn)離事件視界的黑洞結(jié)構(gòu)，令人倍感振奮。”

在視頻中，繞黑洞完成一次急轉(zhuǎn)彎后飛離的光子，形成了一個(gè)光環(huán)影像，被標(biāo)記為n=1。完成兩次急轉(zhuǎn)彎后飛離的光子，形成了第一個(gè)光環(huán)內(nèi)更細(xì)的光環(huán)影像，被標(biāo)記為n=2，依此類推。來源：哈佛史密松天體物理中心

在研究者能夠確定光子環(huán)是否以及以何種方式編碼黑洞內(nèi)部信息之前，還需要進(jìn)行更多理論研究。但至少，理論家們表示，這篇新論文為任何聲稱是黑洞全息對(duì)偶的量子系統(tǒng)提供了一個(gè)精確的測(cè)試。新澤西州普林斯頓高等研究院的胡安·馬爾達(dá)西納（Juan Maldacena），全息理論的開創(chuàng)者之一表示：“這是一個(gè)針對(duì)全息描述的研究目標(biāo)。”

光子環(huán)中的秘密

光子環(huán)令人興奮的部分原因在于，與事件視界不同，它實(shí)際上是可見的。斯特羅明格之所以轉(zhuǎn)向研究這些光環(huán)，是因?yàn)橐粡堈掌?strong>有史以來第一張黑洞照片。當(dāng)事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）在2019年公布這張照片時(shí)，他說：“我哭了。它美得令人驚嘆。”

歡欣很快轉(zhuǎn)變?yōu)槔Щ蟆D像中的黑洞周圍環(huán)繞著一圈厚厚的光環(huán)，但事件視界望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)的物理學(xué)家們不知道這束光是否是由黑洞周圍混亂的環(huán)境產(chǎn)生的，亦或是包括了黑洞的光子環(huán)。他們向斯特羅明格及其理論家同事們求助，試圖解讀這一圖像。研究團(tuán)隊(duì)一起瀏覽了事件視界望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)用來解析黑洞周圍光生成機(jī)制的大量計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)。在這些模擬圖像中，他們能夠清楚地看到一圈明亮而纖細(xì)的光環(huán)嵌在更大、更模糊的橙色光暈中。

“當(dāng)查看所有模擬時(shí)，這個(gè)光環(huán)是顯而易見的，”以色列海法大學(xué)的沙哈爾·哈達(dá)爾（Shahar Hadar）表示道。他在哈佛大學(xué)時(shí)與斯特羅明格及事件視界望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)行這項(xiàng)研究。哈達(dá)爾認(rèn)為，光子環(huán)的形成似乎是所有黑洞周圍都會(huì)發(fā)生的“普遍現(xiàn)象”。

理論學(xué)家確定，與黑洞周圍混亂且充滿能量的碰撞粒子和場(chǎng)的漩渦不同，光子環(huán)清晰的邊界直接攜帶了黑洞的重要信息，包括其質(zhì)量和自轉(zhuǎn)量。“這無疑是真正領(lǐng)略黑洞之美、感受其魅力的最佳方式，”斯特羅明格說道。

2019年，全球射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)“事件視界望遠(yuǎn)鏡”發(fā)布了首張黑洞照片。這是一張位于附近星系梅西耶87（Messier 87）中心的超大質(zhì)量黑洞的影像。來源：事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組（Event Horizon Telescope Collaboration）

由天文學(xué)家、模擬研究人員和理論學(xué)家組成的合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的這張黑洞照片雖然不足以清晰解析出光子環(huán)，但已非常接近。他們?cè)?020年發(fā)表的一篇論文中論證道，未來更高分辨率的望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該能夠輕松觀測(cè)到光子環(huán)。（新論文稱，用算法處理了事件視界望遠(yuǎn)鏡2019年圖像原始數(shù)據(jù)，去除圖層后發(fā)現(xiàn)了光環(huán)，但這一說法遭到了質(zhì)疑。）

花了很長(zhǎng)時(shí)間在模擬中研究光子環(huán)后，斯特羅明格和他的同事開始思考，這些光子環(huán)的形態(tài)是否暗示著更深層的意義。

驚人的對(duì)稱性

光子圍繞黑洞做一次U型轉(zhuǎn)彎后迅速飛向地球，會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)明亮的光環(huán)。圍繞黑洞做兩次U型轉(zhuǎn)彎的光子則會(huì)在第一個(gè)光環(huán)內(nèi)形成一個(gè)更暗、更細(xì)的子環(huán)。而做三次U型轉(zhuǎn)彎的光子則會(huì)在子環(huán)內(nèi)再形成一個(gè)子環(huán)，以此類推，這些光環(huán)層層嵌套，逐層變得更暗、更細(xì)。

來自內(nèi)層子光環(huán)的光子繞行的軌道更多，因此會(huì)比外層子環(huán)的光線更早被捕獲。這導(dǎo)致這些光環(huán)呈現(xiàn)出“延時(shí)快照”般的形態(tài)。“這些子光環(huán)圖集就像電影的幀序，記錄了從黑洞視角看到的可見宇宙的歷史。”研究團(tuán)隊(duì)在2020年的論文中寫道。

斯特羅明格提到，當(dāng)他和團(tuán)隊(duì)成員觀察事件視界望遠(yuǎn)鏡的圖像時(shí)，“我們心想，嘿！屏幕上那不是有無數(shù)個(gè)宇宙的副本嗎？全息對(duì)偶會(huì)不會(huì)就藏在那里？”

研究人員發(fā)現(xiàn)，這些光環(huán)的同心結(jié)構(gòu)表明存在共形對(duì)稱性。具有共形對(duì)稱性的系統(tǒng)表現(xiàn)出“尺度不變性”，意味著無論將其放大還是縮小，看起來都一樣。在這個(gè)案例中，每個(gè)光子子光環(huán)都是前一個(gè)子光環(huán)的一個(gè)精確、縮小的復(fù)制品。此外，共形對(duì)稱系統(tǒng)在時(shí)間前后平移以及所有空間坐標(biāo)進(jìn)行反轉(zhuǎn)、平移再反轉(zhuǎn)時(shí)都保持不變。

“若與量子引力學(xué)者共話時(shí)提及‘共形對(duì)稱’與‘黑洞’二詞，其誘惑力堪比在饑犬面前晃動(dòng)一塊鮮肉。”

——哈佛大學(xué) 安德魯·斯特羅明格

斯特羅明格與共形對(duì)稱性結(jié)緣于1990年代。當(dāng)時(shí)他正在研究一種特殊的五維黑洞，共形對(duì)稱性意外出現(xiàn)在這個(gè)極端天體中。通過精確解析該對(duì)稱性的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，他和庫姆倫·瓦法（Cumrun Vafa）另辟蹊徑，采用創(chuàng)新方法，首次在廣義相對(duì)論與量子世界之間搭建起理論橋梁——至少在黑洞這類極端時(shí)空結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了突破。他們提出一個(gè)大膽的物理圖景：將黑洞的視界“剝離”，替換為遵循共形對(duì)稱性的二維全息界面。這個(gè)界面如同承載量子粒子系統(tǒng)的“信息幕布”，其上的量子漲落嚴(yán)格對(duì)應(yīng)著黑洞的宏觀屬性。研究表明，黑洞的物理特征竟與這個(gè)全息系統(tǒng)的共形對(duì)稱性完美匹配，仿佛黑洞本體是蜷縮在高維時(shí)空中的“量子全息投影”。通過這種方式，他們?cè)趶V義相對(duì)論對(duì)黑洞的描述與其量子力學(xué)描述之間搭建了橋梁。

1997年，馬爾達(dá)西納將這一全息原理擴(kuò)展到了整個(gè)宇宙的玩具模型（一種用于解釋機(jī)制而刻意簡(jiǎn)化的模型）。他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“瓶中宇宙”，在這個(gè)宇宙中，瓶子表面上的共形對(duì)稱量子系統(tǒng)精確地映射到了瓶子內(nèi)部時(shí)空和引力的特性上。就好像瓶子內(nèi)部是一個(gè)“宇宙”，像全息圖一樣從其低維表面投射出來。

這一發(fā)現(xiàn)讓許多理論家相信，真實(shí)的宇宙就是一個(gè)全息圖。但問題在于，“瓶中宇宙”和我們的宇宙不同。它充滿了負(fù)曲率時(shí)空，有著類似表面的外邊界。而我們的宇宙是平坦的。而理論家們對(duì)平坦時(shí)空的全息對(duì)偶知之甚少。“我們需要回到真實(shí)的世界，同時(shí)借鑒從這些假想世界中學(xué)到的知識(shí)，”斯特羅明格說道。

因此，研究小組決定研究一個(gè)更貼近現(xiàn)實(shí)的情形：平坦時(shí)空中的旋轉(zhuǎn)黑洞，比如被事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝到的那種黑洞。哈達(dá)爾表示：“首要問題是：全息對(duì)偶存在于何處？以及它的對(duì)稱性是什么？”

尋找全息對(duì)偶

歷史上，共形對(duì)稱性一直是尋找與引力系統(tǒng)全息對(duì)應(yīng)的量子系統(tǒng)的可靠指引。斯特羅明格認(rèn)為：“若與量子引力學(xué)者共話時(shí)提及‘共形對(duì)稱’與‘黑洞’二詞，其誘惑力堪比在饑犬面前晃動(dòng)一塊鮮肉。”

研究小組從廣義相對(duì)論中描述旋轉(zhuǎn)黑洞的克爾度規(guī)（Kerr Metric）出發(fā)，開始尋找共形對(duì)稱性的線索。他們?cè)O(shè)想用錘子敲擊黑洞，使其像鈴鐺一樣發(fā)出聲響。漸弱的振動(dòng)就像兩個(gè)黑洞碰撞時(shí)產(chǎn)生的引力波。其振動(dòng)頻率取決于時(shí)空的形狀（即克爾度規(guī)），正如鈴鐺的音調(diào)取決于其形狀一樣。

安德魯·斯特羅明格和他的同事最近發(fā)現(xiàn)，黑洞的光子環(huán)具有一種特殊的對(duì)稱性。這種對(duì)稱性常見于全息圖性質(zhì)的物體，此處為黑洞。——艾莉·休梅努克（Allie Humenuk）《塌縮星電影公司》

由于克爾度規(guī)過于復(fù)雜，精確計(jì)算黑洞的振動(dòng)模式是不現(xiàn)實(shí)的。因此，該團(tuán)隊(duì)只考慮了由猛烈撞擊黑洞而產(chǎn)生的高頻振動(dòng)，以此近似振動(dòng)模式。他們注意到，這些高能振動(dòng)模式的波形與黑洞光子環(huán)的結(jié)構(gòu)存在某種聯(lián)系。田納西州范德比爾特大學(xué)引力、波與流體研究中心（Initiative for Gravity, Waves and Fluids）的亞歷克斯·盧帕斯卡（Alex Lupsasca）表示：“這一模式完全由光子環(huán)決定。”他與斯特羅明格、哈達(dá)爾以及哈佛大學(xué)的丹尼爾·凱佩克（Daniel Kapec）共同撰寫了這篇新論文。

2020年夏天，在新冠疫情期間，研究迎來了關(guān)鍵時(shí)刻。研究人員在哈佛大學(xué)杰斐遜物理實(shí)驗(yàn)室外的草地上搭起了黑板和長(zhǎng)凳，面對(duì)面討論。他們發(fā)現(xiàn)，正如共形對(duì)稱性將每一個(gè)光子環(huán)與下一個(gè)子光環(huán)聯(lián)系起來一樣，黑洞振動(dòng)的連續(xù)音調(diào)也通過共形對(duì)稱性彼此關(guān)聯(lián)。斯特羅明格認(rèn)為，這種光子環(huán)與黑洞振動(dòng)之間的關(guān)系可能是全息特性的“預(yù)兆”。

另一個(gè)暗示光子環(huán)可能具有特殊意義的線索，來自光子環(huán)與黑洞幾何之間反直覺的關(guān)系。“這非常、非常奇怪，”哈達(dá)爾說道，“當(dāng)你沿著光子環(huán)的不同點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，實(shí)際上是在探測(cè)黑洞不同半徑或深度。”

這些發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了斯特羅明格——相較于事件視界，光子環(huán)是一個(gè)“天生的候選者”來作為旋轉(zhuǎn)黑洞全息盤的一部分。

如果是這樣，或許可以用一種新的方式來理解那些掉入黑洞的物體信息會(huì)發(fā)生什么——這正是長(zhǎng)期未解的“黑洞信息悖論”。最近的計(jì)算 表明，隨著黑洞緩慢蒸發(fā)，這些信息會(huì)被宇宙以某種方式完整保留。斯 特羅明格提出大膽猜想：“信息可能并未墜入黑洞，而是像云團(tuán)般懸浮在黑洞外圍，甚至延伸至光子環(huán)區(qū)域。"但具體編碼方式和運(yùn)作機(jī)制尚未明晰，”他坦言道。

對(duì)理論學(xué)家的召喚

斯特羅明格團(tuán)隊(duì)推測(cè)，全息對(duì)偶可能存在于光子環(huán)內(nèi)或周圍。然而，這一觀點(diǎn)受到了部分量子引力理論學(xué)家的質(zhì)疑。他們認(rèn)為，這種基于光子環(huán)共形對(duì)稱性的推測(cè)過于大膽。麻省理工學(xué)院的量子引力和黑洞理論學(xué)家丹尼爾·哈洛（Daniel Harlow）表示：“探索全息對(duì)偶的棲身之處，遠(yuǎn)比探討對(duì)稱性本身要深刻得多。”盡管他支持后續(xù)研究，哈洛強(qiáng)調(diào)，要證明這種全息對(duì)偶的可靠性，必須建立數(shù)學(xué)映射：將光子環(huán)的光子軌道、頻率等特性，與黑洞的精細(xì)量子細(xì)節(jié)一一對(duì)應(yīng)。

盡管如此，一些專家表示，這項(xiàng)新研究為所有候選的全息對(duì)偶理論提供了一個(gè)重要的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)：該對(duì)偶必須能準(zhǔn)確編碼旋轉(zhuǎn)黑洞被撞擊后的特殊振動(dòng)模式，就像一口被敲響的銅鐘。斯特羅明格表示：“要求描述黑洞的量子系統(tǒng)再現(xiàn)這種復(fù)雜性，是一個(gè)極大的約束條件——這是此前從未采用過的約束條件。”斯坦福大學(xué)理論物理學(xué)家伊娃·西爾弗斯坦（Eva Silverstein）認(rèn)為：“這為人們嘗試構(gòu)建全息對(duì)偶模型提供了一個(gè)非常精巧的理論數(shù)據(jù)。”

馬爾達(dá)西納也表示認(rèn)同：“我們需要理解如何將其納入全息對(duì)偶框架，這或?qū)⒓ぐl(fā)該領(lǐng)域的新一輪研究熱潮。”

馬洛尼推測(cè)，光子環(huán)對(duì)稱性的新發(fā)現(xiàn)將激發(fā)理論家和觀測(cè)者的興趣。如果事件視界望遠(yuǎn)鏡的升級(jí)計(jì)劃獲得資助，可能在幾年內(nèi)就能探測(cè)到光子環(huán)。

不過未來的觀測(cè)數(shù)據(jù)雖不能直接驗(yàn)證全息原理，卻能用于黑洞附近的極限廣義相對(duì)論檢驗(yàn)。至于黑洞周圍無限光子陷阱的結(jié)構(gòu)是否能在數(shù)學(xué)層面加密，還需要理論學(xué)家通過紙筆計(jì)算。

作者：Thomas Lewton

翻譯：邊穎

審校：7號(hào)機(jī)

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今天我們將送出由人民郵電出版社提供的《楊振寧講物理：基本粒子發(fā)現(xiàn)之旅》。

本書整理自諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主楊振寧1959年的演講稿，楊振寧先生以親歷者的視角，用平實(shí)的語言向讀者介紹了物理學(xué)研究的本質(zhì)問題：組成宇宙的“磚塊”——基本粒子——是什么，以及它們之間如何發(fā)生相互作用。本書按照歷史發(fā)展順序，敘述了粒子物理學(xué)領(lǐng)域早期的重要發(fā)現(xiàn)與不為人知的詳細(xì)過程，僅用不到100頁的篇幅便將復(fù)雜的物理機(jī)制解釋得通透、精準(zhǔn)，讓普通人也能領(lǐng)略物理學(xué)的奧妙。閱讀本書，彷佛穿越回百年前，親眼見證一個(gè)又一個(gè)諾獎(jiǎng)級(jí)成果的誕生。

【互動(dòng)問題：如果黑洞信息真的存儲(chǔ)在光子環(huán)這個(gè)"宇宙硬盤"上，你覺得這種存儲(chǔ)方式與人類使用的光盤、硬盤有什么根本區(qū)別？為什么量子信息可能需要如此特殊的存儲(chǔ)介質(zhì)？】

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截止到本周四中午12：00，參與互動(dòng)的留言中點(diǎn)贊數(shù)排名第二、三、五的朋友將獲得我們送出的圖書一套（點(diǎn)贊數(shù)相同的留言記為并列，下一名次序加一，如并列第二之后的讀者記為第三名，以此類推）。

為了保證更多的朋友能夠參與獲獎(jiǎng)，過往四期內(nèi)獲過獎(jiǎng)的朋友不能再獲得獎(jiǎng)品，名次會(huì)依次順延

*本活動(dòng)僅限于微信平臺(tái)

編輯：7號(hào)機(jī)

翻譯內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場(chǎng)

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