科学家发现理解黑洞的新路径
物理学家发现了一种新方法，通过绘制黑洞的详细结构图，重新定义了黑洞的概念，新的见解可能会让人们更深入地理解理论物理中的黑洞微观结构。相关研究成果近日发表于《高能物理杂志》。
该研究详细介绍了名为“超迷宫”的新理论结构，这些结构为理论物理学领域提供了关于黑洞的更普遍的图景。基于弦理论的“超迷宫”对于理解黑洞的微观结构至关重要。
“广义相对论是一种强大的理论，用于描述黑洞的大尺度结构，但它是一种非常粗糙的工具，用于描述黑洞的微观结构，”该研究的共同作者、南加州大学多恩西夫学院物理、天文和数学教授Nicholas Warner说，“在超越爱因斯坦方程的理论框架中，‘超迷宫’为我们提供了关于膜黑洞微观结构的详细画像。”
黑洞是一种引力强大到足以捕获光线的天体，而传统广义相对论中的黑洞被事件视界所包围。从事件视界之外看，这与量子力学的基本原理不一致。在超越广义相对论的量子引力理论中，黑洞必须表现出大量的微观结构。
弦理论可以通过用一种“毛球”的概念性物体取代传统黑洞来实现这一点。Warner展示了如何从高维时空中物理对象的超迷宫中实际构建毛球，从而创造出一个表现得像黑洞但又展现出其所有结构的物体。
“假设你想得到一幅米开朗基罗的《最后的审判》的画像：带有视界的广义相对论就像使用只有一个像素的相机。”Warner说，“你看到的只是一抹色彩。我们早期的工作为我们提供了一幅可能有1000个像素的画像：结构的轮廓和一些阴影。而超迷宫则像是拥有数十亿个像素，使我们能够详细地欣赏这幅杰作。”
这项新的研究以物理学中的一个理论框架——M理论为中心，后者与弦理论密切相关。M理论认为，作为宇宙基本构成单元的弦并非一维的，而是以“膜”的形式存在于更高维度中，这些膜是延伸到多个空间维度的物理对象。膜的多维表面在弦理论和M理论中起着关键作用。
“在这篇论文中，我们探索了在超引力（M理论的低能近似）领域内二维的M2膜和五维的M5膜的交叉系统。”Warner说，“我们可以将迷宫视为‘基底’，所有关于形成黑洞或落入黑洞的信息都可以编码在上面。”
通过研究控制这些膜交叉的迷宫函数，该研究揭示了迷宫如何能够重现黑洞的熵，并可能描述黑洞的微观态。
膜的交叉在弦理论中已经被广泛研究，但这篇新论文重新设计了这些概念，以提供能够描述黑洞的新几何结构。该研究开发了一种“迷宫函数”，这是一种新的数学结构，用于描述超引力中M2和M5膜交叉系统的解。迷宫函数必须满足一个类似于著名的蒙日-安培方程的非线性微分方程，后者控制着M2和M5膜交叉的几何形状和动力学。
“迷宫函数在将膜配置与超引力解联系起来方面发挥着关键作用，这反过来又为我们探索黑洞微观态提供了一种新方法。”Warner说，“迷宫函数就是那个拥有数十亿像素的相机，能够为我们提供黑洞微观结构的深入而详细的图像。”
Warner表示，这只是开发全面弦理论描述膜黑洞微观结构的更大计划的第一步。
相关论文信息：https://doi.org/10.1007/JHEP03(2025)120
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