在這篇節(jié)選自《環(huán)球科學》12月新刊中原刊于西蒙斯基金會發(fā)起的Quanta Magazine的文章中，托馬斯·萊頓將帶著我們一睹黑洞光子環(huán)的模樣，它甚至可能編碼了黑洞內(nèi)部的信息。

當光子快速沖向黑洞時，絕大多數(shù)光子都會陷入兩種命運：要么掉入黑洞深處，根本無法逃離，要么稍稍偏轉方向，擦身飛離黑洞。然而，也會有極少數(shù)光子繞過黑洞，進行一系列劇烈的U型轉彎。這其中的一部分光子幾乎會永遠繞著黑洞旋轉。

由光子在黑洞周圍形成的光子軌道環(huán)是自然界中最奇怪的現(xiàn)象之一，天體物理學家將它描述為“宇宙攝像機”或“無限光阱”。如果能探測到這些光子，我們會看到宇宙中每一個物體重復出現(xiàn)無限多次。

但是，不同于黑洞標志性的事件視界——在這個邊界內(nèi)的引力極強，沒有任何物質能從中逃脫——在更遠處圍繞黑洞運行的光子環(huán)從未受到理論物理學家太多的關注。當然，對于事件視界的研究是很重要的，因為它標志著人類認知宇宙的邊界。正如阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論所描述的那樣，在宇宙中的絕大部分區(qū)域，引力會使時空發(fā)生彎曲。但在黑洞內(nèi)部，時空彎曲得是如此厲害，導致廣義相對論都不再適用。因此，為了更加切實地描述量子引力，理論物理學家一直將目光聚焦于黑洞事件視界來尋找答案。

“我曾經(jīng)認為事件視界是我們真正需要理解的東西，而光子環(huán)只是某種復雜卻無足輕重的現(xiàn)象，它并沒有任何深刻的物理意義?！泵绹鸫髮W研究黑洞和量子引力的頂尖理論物理學家，安德魯·施特羅明格（Andrew Strominger）說道。然而，現(xiàn)在施特羅明格對光子環(huán)的態(tài)度發(fā)生了180度的轉變。

在今年5月份發(fā)布于預印本網(wǎng)站，最近又發(fā)表于《經(jīng)典引力和量子引力》（Classical and Quantum Gravity）的一篇論文中，施特羅明格和他的合作者表示，旋轉黑洞周圍環(huán)繞的光子環(huán)具有一種出乎意料的對稱性——一種進行共形變換（一種保持角度和無窮小物體的形狀不變，但不一定保持尺寸不變的變換）后仍能保持不變的性質。這種對稱性表明，光子環(huán)可能編碼了黑洞量子結構的信息。施特羅明格意識到，“這種對稱性可能與理解黑洞量子動力學的核心問題有關?！边@一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了研究人員之間的爭論：光子環(huán)是否可能是黑洞“全息對偶”的一部分（“全息對偶”是指一個完全等價于黑洞、包含黑洞所有信息的量子系統(tǒng)，黑洞能像全息圖一樣從這個量子系統(tǒng)中映射出來）。

當然，研究人員需要更多的理論研究，來確定光子環(huán)是否編碼了黑洞內(nèi)部的信息，如果是這樣的話，它又是以何種方式編碼這些信息的。但至少在目前，理論物理學家認為這篇新論文詳細闡述了一種精確的檢驗方法，可以驗證任何宣稱是對偶于黑洞的量子系統(tǒng)。“這是全息描述的一個目標，”美國普林斯頓高等研究院的胡安·馬爾達西納（Juan Maldacena）說道，他是全息引力理論的奠基人之一。

光子環(huán)里的秘密

令人興奮的是，不同于事件視界，光子環(huán)實際上是可見的。事實上，施特羅明格之所以對光子環(huán)的觀點發(fā)生巨大轉變，是因為事件視界望遠鏡（Event HorizonTelescope,EHT）在2019年公布的第一張黑洞照片，“我一看到就哭了，它美得如此震撼。”施特羅明格說道。

2019年，被稱為“事件視界望遠鏡”的全球射電望遠鏡聯(lián)盟發(fā)布了這張有史以來的第一張黑洞照片——鄰近星系梅西爾 87（Messier 87）中心的超大質量黑洞。

但是興奮很快就變成了困惑。圖像中黑洞的周圍有一圈厚厚的光環(huán)，EHT團隊的物理學家并不清楚它是否是黑洞周圍混亂環(huán)境導致的結果，也不知道它是否包含了黑洞的光子環(huán)。于是，他們找到施特羅明格和他的同事，希望能在他們的幫助下理解這張圖像。EHT團隊利用龐大的數(shù)據(jù)庫來模擬解析光出現(xiàn)在黑洞周圍的物理過程。施特羅明格和同事與他們一同瀏覽了這些數(shù)據(jù)，從模擬圖像中可以看到薄而明亮的光環(huán)，而這些光環(huán)嵌入在更大、更模糊的橙色光環(huán)中。

理論物理學家能夠確定，與黑洞周圍高能碰撞粒子和場形成的漩渦不同，光子環(huán)銳利的線條攜帶著與黑洞性質直接相關的信息，包括其質量和自旋。而經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，EHT發(fā)布的照片展示的是鄰近星系梅西爾（Messier）87中心的黑洞，它距離我們并不算遠，但真實照片的清晰度依然不足以用來分析它周圍的光子環(huán)。未來用更高分辨率的望遠鏡應該能很容易地觀測到光子環(huán)。

盡管如此，施特羅明格和同事在觀察計算機模擬的光子環(huán)很長時間后，不禁開始思考它們的形狀是否暗示了更深層的含義。

驚人的對稱性

從我們的角度來看，繞黑洞做單個U型轉彎然后飛向地球的這些光子，會形成一個光環(huán)。繞黑洞做兩次U型轉彎的光子則形成一個子環(huán)，嵌在第一個光環(huán)內(nèi)，它看起來更加微弱，也更纖薄。而做三次U型轉彎的光子則嵌在該子環(huán)內(nèi)，形成它的子環(huán)。以此類推，就形成了層層嵌套的光子環(huán)，每個子環(huán)都比外圈的子環(huán)更加微弱和纖薄。

內(nèi)子環(huán)的光子會比外子環(huán)的光子繞了更多圈，這意味著內(nèi)子環(huán)的光子是在外子環(huán)光子之前被黑洞捕捉到的。因此，順著光子環(huán)從內(nèi)到外不斷被捕捉的過程，就能生成一系列周邊宇宙的延時快照。該合作團隊在2020年發(fā)表的論文中寫道：“這些子環(huán)集合就類似于電影中一幀幀的畫面，捕捉并記錄了從黑洞中看到的可見宇宙的歷史?！边@讓施特羅明格和合作者聯(lián)想到了全息對偶。

研究人員意識到，這些環(huán)的同心結構暗示了一種被稱為共形對稱的對稱群。具有共形對稱性的系統(tǒng)會表現(xiàn)出“標度不變性”，這意味著無論你進行放大還是縮小，操作前后的系統(tǒng)看起來都是一樣的。在這種情況下，每個光子環(huán)的子環(huán)都是前一個子環(huán)精確縮小的副本。此外，共形對稱系統(tǒng)在時間向前或向后平移時，或在所有空間坐標反轉、平移、再反轉時都會保持不變（時空平移對稱性）。

20世紀90年代，施特羅明格在研究一種特殊的五維黑洞時，遇到了共形對稱性。在精確理解了這種對稱性的種種細節(jié)后，他和卡朗·瓦法（Cumrun Vafa）找到了一種新穎的方法，能在黑洞內(nèi)部將廣義相對論與量子世界聯(lián)系起來。或者說，至少可以在那些極端類型的黑洞內(nèi)部關聯(lián)起兩種理論體系。他們設想把黑洞切掉，而后用他們所謂的全息屏（一個表面，包含具有共性對稱性粒子的量子系統(tǒng)）來取代黑洞的事件視界。由此，他們證明了該系統(tǒng)的性質與黑洞的性質相對應，就好像黑洞是共形量子系統(tǒng)的高維全息圖一樣。通過這種方式，他們在黑洞的廣義相對論描述和量子力學描述之間架起了一座橋梁。

1997年，馬爾達西納將相同的全息原理推廣至整個宇宙。他發(fā)現(xiàn)了一個像玩具模型一樣的“瓶中的宇宙”，其中存在于瓶子表面的共形對稱量子系統(tǒng)與瓶子內(nèi)部的時空和引力性質完全對應。仿佛瓶內(nèi)是一個“宇宙”，它像全息圖一樣，是從瓶子的低維表面投射出來的。

這一發(fā)現(xiàn)使許多理論物理學家相信，真正的宇宙是一個全息圖。但問題是，馬爾達西納提出的瓶中宇宙與我們的真實宇宙并不相同。瓶中的宇宙具有負曲率時空，還有一個類似表面的外部邊界。但我們所生活的宇宙一直被認為是漸進平坦的，而漸進平坦時空的全息對偶究竟是怎樣的，理論物理學家對此幾乎一無所知。

因此，這個團隊決定研究漸進平坦時空中一個真實的旋轉黑洞，比如事件視界望遠鏡拍攝到的那些黑洞?！澳敲词滓膯栴}是：它的全息對偶在哪里？以及它的對稱性是怎樣的？”哈達爾說道。

尋找全息對偶

根據(jù)廣義相對論對旋轉黑洞時空幾何的描述 (也被稱為克爾度規(guī)），研究團隊開始尋找黑洞共形對稱的線索。他們想象用錘子去敲擊黑洞，使它像鐘一樣振動發(fā)聲。這些慢慢衰減的振動就像兩個黑洞碰撞時產(chǎn)生的引力波一樣。黑洞會發(fā)出一些具有共振頻率的聲響，而這些頻率正取決于時空的形狀（也就是克爾度規(guī)），就像鐘聲的音調頻率取決于它自身的形狀一樣。

由于克爾度規(guī)太過復雜，想弄清楚黑洞確切的振動模式是不可能的。因此，研究團隊僅考慮黑洞高頻振動下的近似模式，也就是猛烈撞擊黑洞造成的結果。他們注意到，高能量下這些波動的模式被證明完全由黑洞光子環(huán)結構控制。

一個關鍵的時刻出現(xiàn)在2020年的夏天，也是全球新冠疫情大流行期間。美國哈佛大學杰斐遜物理實驗室外的草地上擺好了黑板和長凳，研究人員終于可以面對面交流了。他們經(jīng)過討論發(fā)現(xiàn)，就像每個光子環(huán)與臨近的子環(huán)都由共形對稱聯(lián)系起來一樣，黑洞振動的相鄰音調之間也是通過共形對稱相互關聯(lián)。施特羅明格說，光子環(huán)和黑洞振動之間這種共性的關聯(lián)可能正是全息原理的“預兆”。

而光子環(huán)可能具有特殊重要性的另一個線索，來自光子環(huán)與黑洞幾何之間一種反直覺的聯(lián)系——當你在光子環(huán)上沿不同點移動時，你其實是在探測黑洞不同位置的半徑，或者說深度。

這些發(fā)現(xiàn)無一不在向施特羅明格暗示，光子環(huán)才是旋轉黑洞部分全息屏的“自然候選者”，而非此前認為的事件視界。

如果是這樣的話，那么很可能會有一種新方法能描述落入黑洞的物體所攜帶的信息會發(fā)生什么——這是一個長期存在的謎團，被稱為黑洞信息佯謬。最近的計算表明，當黑洞慢慢蒸發(fā)時，這些信息會被宇宙以某種方式保存下來。如今，施特羅明格推測，信息可能就存儲在全息屏中。他說：“從某種程度上，也許信息并沒有真正地落入黑洞，而是保留在黑洞外的云層中，可能延伸到了光子環(huán)。但我們并不清楚信息是如何在那里編碼的，甚至這整個過程究竟如何運作，我們也還不了解。”

新的呼吁

施特羅明格和他的合作者認為，全息對偶存在于光子環(huán)內(nèi)部或其附近，但是這一猜想遭到了一些量子引力理論物理學家的質疑，他們認為從光子環(huán)的共形對稱性就推出這一猜想過于大膽。因為'全息對偶存在于何處’是一個比'對稱性是什么’更加深刻的問題。而一個令人信服的全息對偶必須能證明光子環(huán)的性質（如單個光子的軌道和頻率）是如何在數(shù)學上映射黑洞精細的量子細節(jié)。

盡管如此，一些專家表示，這項新研究為驗證引力的全息對偶提供了一種方法：像鐘一樣敲擊旋轉黑洞后，對偶必須能夠編碼黑洞不同尋常的振動模式。施特羅明格說：“要求描述黑洞的量子系統(tǒng)能復現(xiàn)其所有的復雜性是一個非常強的約束——這是我們以前從未嘗試過的。”

馬爾達西納也同意說：“人們很想理解如何將光子環(huán)整合到全息對偶中。因此，它可能會激發(fā)一些這方面的研究?！?/span>

但也有科學家懷疑新發(fā)現(xiàn)的光子環(huán)對稱性能否激發(fā)理論物理學家和天文觀測人員的興趣。如果事件視界望遠鏡的升級計劃能獲得資金支持，那么它會在幾年內(nèi)開始探測光子環(huán)。

不過，未來對這些光子環(huán)的觀測不會直接用來驗證全息原理，相反，這些數(shù)據(jù)將允許我們在黑洞附近對廣義相對論進行極端的測試。而黑洞周圍的無限光阱結構能否在數(shù)學上編碼存儲黑洞內(nèi)部的信息，這將取決于理論物理學家用紙筆計算的結果。