黑洞深處的混沌
Douglas Stanford對黑洞的迷戀起源於一個讓你意想不到的地方——一艘帆船。
10歲那年，Stanford與家人開始了5年駕著帆船環遊世界的時光。對Stanford來說，帆船就像是一個物理學實驗室，要讓船沿著正確的航道行駛就需要平衡風和水所產生的力，他可以看見簡單的物理學就在他的眼前發生。
如今，31歲的Stanford將他的物理學知識應用到了更抽象的問題上：黑洞、量子力學和混沌。
○ Douglas Stanford | 圖片來源：INSTITUTE FOR ADVANCED STUDY
Stanford是普林斯頓高等研究院和斯坦福大學的理論物理學家，他年輕有為，已經揭示了許多新的見解，其中包括發現黑洞能達到混沌的頂峰，也就是說，沒有什麼東西比黑洞更混亂。這個發現進一步證實了一個觀點，那就是黑洞是宇宙中最極端怪異的天體，更重要的是，它或許有助於我們尋找到一個新的、改進了的引力理論。
黑洞內部的混沌
在混沌系統中，一個微小的調整就可能產生一系列的連鎖效應，從而徹底地改變最終結果。最著名的例子就是蝴蝶效應了，這個假想的場景說的是，一隻蝴蝶扇動了一下翅膀，導致氣流發生了微小的變化，最終影響了一場龍捲風出現的時間和位置。
Stanford和斯坦福大學的理論物理學家Stephen Shenker通過計算表明，在量子水平上，黑洞會表現出類似的混沌行為。對於黑洞來說，哪怕是出現將一個粒子扔進這個深淵這樣的微小改變，也可能徹底改變黑洞的行為方式。
理解黑洞混沌行為的一個關鍵是，黑洞並不完全是黑的。宇宙中的這種龐然大物能輻射出粒子薄霧，這是在空間各處都在發生的量子粒子對不斷地出現和消失所造成的結果。當這個過程發生在黑洞邊緣時，一些粒子可能會逃脫，產生所謂的霍金輻射。
Stanford和Shenker在2014年的《高能物理學報》上報告稱，對霍金輻射的研究揭示了黑洞所具有的混沌特性。
可以想像，若將一個電子扔進黑洞，對於黑洞這個龐然大物來這說不過是一個極其微小的變化。但是這個微小的變化卻可以改變黑洞釋放的霍金輻射，像極了因為一隻蝴蝶扇動翅膀，結果讓一艘遠方的帆船改變了航行的方向。
添加任何一個粒子都會導致黑洞質量的增加，並讓黑洞的事件視界（包括光在內的任何物體無法逃逸的黑洞邊界）略向外擴展，這使得原本能夠被發射出去的霍金輻射如今被束縛在擴展的黑洞里。一個看似無關緊要的變化卻最終會產生巨大的影響，這就是混沌的定義。
○ （1）想像在黑洞附近有一個粒子，粒子有落入黑洞的危險。一段時間後，這個粒子可能有機會逃脫。（2）但是如果另一個粒子被拋入黑洞，黑洞就會膨脹，進而困住原先本可逃脫的粒子。對黑洞的微小改變會改變最終的結果——這就是混沌。| 圖片來源：T. TIBBITTS
Stanford將這個想法進一步延伸。2016年，他和Shenker以及高級研究院的Juan Maldacena從理論上證明了，一個黑洞受到的微小改變所產生的迴響會像滾雪球一樣，以物理上可行的最快速度傳播開來。正是這種滾雪球般的效應讓黑洞成為自然法則所允許的最為混沌的系統。
Stanford和其他人希望通過理解微小粒子和龐大黑洞之間的聯繫，來解決物理學最重要的兩個理論——量子力學和廣義相對論之間的矛盾。他們的目標是建立一個能將這兩個長期存在衝突的理論結合起來的量子引力理論。二者之間的這種衝突暗示著物理學的核心存在著一些巨大而深刻的錯誤。Stanford關於黑洞的新想法或許能幫助科學家找到一個解決方案。
他會成為改變科學進程的人嗎？
Stanford的同事認為，他已經處於做出更大的發現的邊緣。加州大學伯克利分校的理論物理學家Raphael Bousso說：「Stanford是一個深刻的思想者，也是具有強大計算能力的人，這是一種非常罕見的結合，只有最優秀的物理學家身上才具有這種特質。」儘管還很年輕，Stanford卻已經獲得了斯坦福大學的副教授職位。
Maldacena說，跟Stanford一起工作讓他覺得自己又像個學生了，Stanford會糾正他的錯誤，並為他提供很好的想法。這可不是一個小小的壯舉，要知道Maldacena可是量子引力和弦論領域的巨人，因為發現物理學家仍在苦苦思索的怪異數學而聞名。
Shenker說：「Stanford可能是極少數真正能改變科學進程的人之一，我期待看看自己是否正確。」
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參考來源：
https://www.sciencenews.org/article/douglas-stanford-sn-10-scientists-watch
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