黑洞是宇宙中密度最大的硬盘？量子计算机会创造出一个“黑洞”？

有没有存在于黑洞之外的裸奇点？它会破坏宇宙的因果定律吗？来自物理学研究的最新见解正在颠覆我们对奇点的传统认知。

当研究引力的视角从经典切换到量子，科学家发现，黑洞或许是宇宙中密度最大的硬盘，而量子计算机理论上可以创造出一个“黑洞”。如果能看到裸奇点，科学家或许就有办法获得量子引力的观测证据，从而深入了解黑洞和量子引力的本质。

■寒潮/编译

在黑洞深处，空间的扭曲达到了令人难以理解的程度。在某个无限小的点上，密度达到无穷大，以至于用来描述质量如何弯曲时空的爱因斯坦广义相对论也不再适用——它就是奇点。在这里，人类既有的知识体系土崩瓦解。

尽管奇点令人望而生畏，但它们至少都安全地藏在黑洞的事件视界内，无法被人类观察到。所谓事件视界，是一种时空的曲隔界限。视界中任何的事件都无法对视界外的观察者产生影响。黑洞周围就是事件视界，即连光都无法逃脱的边界。

可是，如果奇点确实能够存在于黑洞之外呢？近年来，由于陆续有研究者证明广义相对论允许奇点存在于黑洞之外，这促使理论物理学家们结合关于引力的量子基础的最新研究和见解，从更深层面来研究奇点。美国麻省理工学院的内塔·恩格尔哈特表示，这些新见解“颠覆了我们对奇点的传统思维方式”。

尽管很多问题悬而待决，恩格尔哈特和她的同事们已经开始破译量子领域与经典引力之间的神秘联系，并强调了一个革命性的观点，即后者就像全息投影一样从前者中产生。

绕不过的裸奇点

或推翻宇宙监督假说

“奇点是什么？这是一个令人生畏的问题。”参与哈佛大学黑洞计划的埃维塔·韦黑伊登说，“我们不知道它们是什么，我们根本不知道该如何描述它们”。

1915年，广义相对论发表后不久，物理学家们就开始寻找其方程的解。根据这些方程，一个密度极高的物质球会极大程度地扭曲时空，使其向一个密度和曲率都无限大的点坠落——这就是一直困扰着广义相对论的奇点。

起初，许多宇宙学家都希望奇点只不过是理论上的虚构，但他们没能如愿。1965年，著名宇宙学家罗杰·彭罗斯证明，奇点实际上是广义相对论不可避免的结果，每当物质坍缩形成黑洞时，奇点就会出现。彭罗斯也因此获得了诺贝尔物理学奖。

1969年，彭罗斯提出，奇点总是隐藏在事件视界后，事件视界是黑洞的外缘，在那里引力变得无比强大，任何事物，甚至是光都无法逃脱。这就是“宇宙监督假说”，它认为自然禁止任何可见或“裸露在外”的奇点。

物理学家们有充分的理由相信这一点，尤其是因为“裸奇点”的存在会打破传统的宇宙观，即物理定律可以预测宇宙中会发生什么。美国田纳西州纳什维尔范德比尔特大学的黑洞专家亚历克斯·卢普萨斯卡说：“只要你在黑洞之外，决定论就没有问题。无论有什么坏事，都发生在视界内。”

印度艾哈迈达巴德大学的宇宙学家潘卡杰·乔希却表示，裸奇点不应被这样“一笔带过”。这则未经证实的假说，可能是防止广义相对论失去预测能力的唯一因素。

近年来，理论物理学家们已经证明，裸奇点确实可以作为广义相对论和相关引力理论的结果出现。例如，一些研究人员预测存在不稳定的“黑弦”，其性质类似于黑洞，可以拉伸和掐断，留下裸奇点。还有人认为，当黑洞发生碰撞或因缓慢释放辐射而完全蒸发时，也可能出现裸奇点。

根据其中一些说法，裸奇点只会出现在空间维度超过三维的假想宇宙中，或者出现在时空曲率与我们不同的宇宙中。韦黑伊登认为，这些结果仍会对我们的宇宙有影响，因此，这些裸奇点可以被认为是目前所知的宇宙监督假说不成立的标志。

密码监督论

从量子到经典的转译

当我们仰望夜空时，为何看不到任何裸奇点？恩格尔哈特说：“据我们所知，黑洞存在而裸奇点不存在，这需要某种解释。”

为了找出答案，2023年，恩格尔哈特、韦黑伊登与麻省理工学院的丽莎·杨、奥斯蒙德·福克斯塔德和亚当·莱文，开始从一个全新的角度来研究宇宙监督假说。美国加州大学圣巴巴拉分校的加里·霍洛维茨表示，他们去年的研究成果向量子版本的宇宙监督论迈出了第一步，“这是一个重大进展”。

恩格尔哈特和她的团队没有在经典时空理论中寻找裸奇点，而是在量子引力的假设框架内研究了奇点和事件视界的性质。量子引力旨在将广义相对论和量子力学这两大现代物理学支柱统一起来。恩格尔哈特表示，他们的目标是找到一种能够确保形成（事件）视界的条件。

具体来说，他们使用了一种名为“全息术”的量子引力方法。其原理是，根据量子理论的描述，高维时空从低维中产生，方式大致接近从平面投射出全息图。高维和低维这两种对现实的描述是对应的，你可以设想自己用一本“经典-量子互译词典”（专业称谓是AdS/CFT对偶），在这两种描述之间进行转译。AdS是“主体”时空，CFT是时空的量子表面，亦称“边界”。

丽莎·杨说，研究人员在描述这两个领域的语言之间来回转换，就是想看看主体时空的奇点在CFT中是否有特征，例如黑洞如何出现在CFT中。

恩格尔哈特表示，至少对于量子引力理论家来说，传统观点认为，黑洞在CFT中的表现是“最大程度的混沌”。这意味着系统对其初始条件非常敏感，哪怕微小变化都会导致截然不同的结果。他们由此发现，CFT中一个与之密切相关的概念“伪随机性”也与主体时空中事件视界的存在相关。卢普萨斯卡说：“你可以用它来诊断黑洞的形成。”

他们把伪随机性和事件视界之间的这种新联系称为“密码监督”，因为它利用了量子信息和密码学领域中日益丰富的一组工具来解决基础物理学中的问题。这些联系会产生一个奇怪的后果：如果你以足够的随机性对一台量子计算机进行编程，那么它本身就有可能变成一个黑洞。

编程创造“黑洞”

量子计算机或会坍缩

从表面上看，利用量子物理学处理信息的量子计算机与黑洞没有什么关系。但近年来，物理学家发现了一些蛛丝马迹：旨在提高量子计算机鲁棒性的算法（即纠错码）与宇宙的基本结构之间存在着深刻的联系。

根据“全息术”的原理，时空出现于一个受量子力学支配的平面，就像全息图一样。当研究人员更仔细地研究这个模型时，他们的计算结果表明，时空出现的机理似乎很像量子纠错码。

这就引出了一个疯狂的问题：如果你将黑洞的量子描述编程到量子计算机中，那么在量子计算机附近是否真的会出现相应的时空？也就是说，你是否会在这个过程中创造出一个真正的黑洞？卢普萨斯卡说，“我们还没开始严肃探讨这些含义，也许是时候认真对待这个问题了”。

今年早些时候，恩格尔哈特和她的合作者提出，只要有足够的伪随机性，就会形成黑洞的事件视界。目前，我们还没有足够强大的量子计算机，无法用足够的伪随机性对其进行编程，从而产生黑洞。但是，恩格尔哈特说，原则上没有什么阻碍。

如果考虑到将伪随机性编程到计算机中就相当于进行非常复杂的计算，需要大量的信息，那么量子计算机能够创造黑洞的想法就更容易理解了。丽莎·杨说，“这涉及大量的量子比特，涉及小空间内的大质量。因此，根据定义，它必须坍缩成一个黑洞。”

卢普萨斯卡说，“这是否意味着你通过这种非常复杂的计算创造了一个黑洞？我认为答案是肯定的。”他把黑洞形容为“宇宙中密度最大的硬盘”。

当然，一旦量子计算机坍缩成黑洞，就无法再访问了。“除非你自己就在量子计算机里，”韦黑伊登说，“但那时你也在黑洞里”。

大型裸奇点

量子引力时空高度可预测

在此基础上，研究小组制定了量子版本的“宇宙监督论”，这在一定程度上解释了为什么我们看不到裸奇点。

研究人员认为，CFT中时空奇点的特征就是这种随机性。这意味着，任何撞击奇点的传入物质或场都会被反射，从而使奇点看起来是随机的，因为撞击实际上扰乱了奇点的外观。韦黑伊登表示，他们推测出了“量子宇宙监督论”，即在量子引力中，经典裸奇点不应该存在。

需要明确的是，在CFT的随机性不足以产生事件视界的情况下，“密码监督论”允许存在非常小的裸奇点，比如黑洞蒸发时留下的奇点。只是它们太小了，无法干扰到决定论。

恩格尔哈特说，无论如何，这项研究颠覆了人们对大型裸奇点的看法。从广义相对论的角度来看，裸奇点是让时空和可预测性崩溃的点。但在量子引力中，大型裸奇点将处于“高度可预测的时空”中。

这是因为事件视界是随机性的结果。所以假设你要移除事件视界，以便露出裸奇点，那么随机性也会随之消失。换句话说，大型裸奇点即使存在，也不会像我们假设的那样充满随机性和不可预测性。

尽管如此，量子版本的宇宙监督论也并不能无懈可击地证明宇宙中没有潜伏着裸奇点。首先，“经典-量子互译词典”所描述的时空曲率与我们所处宇宙的时空曲率并不相同。量子引力理论学家们以此为切入点，是因为这可以让他们完成原本难以完成的物理学任务。它可能与量子引力在我们这个宇宙中的具体运行原理有关，但也可能无关。卢普萨斯卡认为这是一个开放性问题。

未参与这项研究的麻省理工学院丹尼尔·哈洛说：“他们展示的成果带有宇宙监督论的意味。这更像是宇宙监督的一个结果，如果你能证明其中的一个结果，那么你就可以把它看作宇宙监督论也成立的证据。”

根据密码监督论，裸奇点总是被事件视界所掩盖，从而确保黑洞是比裸奇点更为常见的状态。哈洛说：“如果这点不成立，我们用‘经典-量子互译词典’搭建的纸牌屋就会轰然倒塌。”

此外，研究小组还希望更全面地掌握这本“全息词典”将量子世界转译为经典引力的复杂方式。这项工作很困难，拖累了研究进度。恩格尔哈特说：“这部分研究受到了很多阻碍，因为事件视界背后的事物非常神秘，而且我们无法将视界的影响与奇点的影响区分开。”

目前，宇宙监督论仍未得到证实。但真正引起理论家们兴趣的是，通过深入思考这一猜想，我们能了解到黑洞和量子引力的本质。即使这个猜想看起来越来越靠谱，不少宇宙学家仍希望宇宙监督论不是真的。霍洛维茨说：“如果能看到裸奇点，我们会很高兴，因为那样的话，我们实际上就有办法获得量子引力的观测证据。”