物理学家发现，绕黑洞运行的光子环竟呈现出一种特殊的对称结构，这缕璀璨光环很可能暗藏着解读黑洞的终极密码。

光子冲向黑洞时，大部分光子会被掠入深渊，永不复返，或是被轻轻弹开。但总有极少数光子幸运儿能贴着黑洞边缘玩起“太空漂移”，连续划出U型轨迹，有些光子甚至会环绕黑洞永不停歇地旋转。

天体物理学家将这种光子环称为“宇宙照相机”和“无限光阱”，这是自然界最奇异的现象之一。亚利桑那大学物理学家萨姆·格拉拉（Sam Gralla）说：“若能捕捉这些光子，宇宙里的每个物体会在你眼前出现无数次。”

事件视界是任何事物都无法逃脱的引力深渊。与黑洞的标志“事件视界”不同，环绕在更远轨道上的光子环，从未受到理论家们的太多关注。研究者们痴迷于事件视界是有道理的，毕竟事件视界标志着人类认知宇宙的边界。在宇宙的大部分区域，引力遵循爱因斯坦广义相对论中描述的时空曲率规律。但在黑洞内部，时空扭曲极为严重，已超越广义相对论的适用范围。因此，寻求更真实、量子化的引力描述的量子引力理论家们一直关注着事件视界，试图从中找到答案。

图中橙色光晕即为光子环，展示光子在黑洞周围流动形成的环状结构。——《量子杂志》奥列娜·施马哈洛（Olena Shmahalo）。图片来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心（ NASA’s Goddard Space Flight）/杰里米·施尼特曼（Jeremy Schnittman）

“我曾认为事件视界才是需要攻克的关键，”哈佛大学的黑洞与量子引力专家安德鲁·斯特罗明格（Andrew Strominger）坦言：“我认为光子环只是一种技术性强、复杂的东西，没有任何深远的意义。”

如今斯特罗明格本人的态度却也像光子一样，发生了360°U行大转弯，并试图说服其他理论学家加入他的研究。“我们正兴奋地探索着一种可能性，即光子环是解开克尔黑洞秘密的关键，”他所指的克尔黑洞是一种由恒星死亡并引力坍缩形成的旋转黑洞（光子环也同时形成）。

今年5月，斯特罗明格及其合作者在线发表了一篇论文，该论文最近已被《经典与量子引力（Classical and Quantum Gravity）》期刊接受发表。他们发现，围绕旋转黑洞的光子环具有一种意想不到的对称性，即经过某种变换后仍能保持不变的特性。这种对称性表明，该光环可能编码了黑洞量子结构的信息。斯特罗明格认为：“这种对称性似乎与理解黑洞量子动力学的核心问题有关。”这一发现引发了研究者的争论：光子环是否可能是黑洞“全息对偶”的一部分——即一种与黑洞完全等价的量子系统，黑洞可以被看作是从这种系统中以全息图的形式浮现出来的。

“这为理解这些（黑洞）几何结构的全息性质开辟了一个非常有趣的方向，”加拿大麦吉尔大学的理论物理学家亚历克斯·马洛尼（Alex Maloney）表示道，他并未参与这项研究，“新的对称性重新组织了远离事件视界的黑洞结构，令人倍感振奋。”

在视频中，绕黑洞完成一次急转弯后飞离的光子，形成了一个光环影像，被标记为n=1。完成两次急转弯后飞离的光子，形成了第一个光环内更细的光环影像，被标记为n=2，依此类推。来源：哈佛史密松天体物理中心

在研究者能够确定光子环是否以及以何种方式编码黑洞内部信息之前，还需要进行更多理论研究。但至少，理论家们表示，这篇新论文为任何声称是黑洞全息对偶的量子系统提供了一个精确的测试。新泽西州普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西纳（Juan Maldacena），全息理论的开创者之一表示：“这是一个针对全息描述的研究目标。”

光子环中的秘密

光子环令人兴奋的部分原因在于，与事件视界不同，它实际上是可见的。斯特罗明格之所以转向研究这些光环，是因为一张照片：有史以来第一张黑洞照片。当事件视界望远镜（EHT）在2019年公布这张照片时，他说：“我哭了。它美得令人惊叹。”

欢欣很快转变为困惑。图像中的黑洞周围环绕着一圈厚厚的光环，但事件视界望远镜团队的物理学家们不知道这束光是否是由黑洞周围混乱的环境产生的，亦或是包括了黑洞的光子环。他们向斯特罗明格及其理论家同事们求助，试图解读这一图像。研究团队一起浏览了事件视界望远镜团队用来解析黑洞周围光生成机制的大量计算机模拟数据。在这些模拟图像中，他们能够清楚地看到一圈明亮而纤细的光环嵌在更大、更模糊的橙色光晕中。

“当查看所有模拟时，这个光环是显而易见的，”以色列海法大学的沙哈尔·哈达尔（Shahar Hadar）表示道。他在哈佛大学时与斯特罗明格及事件视界望远镜团队合作进行这项研究。哈达尔认为，光子环的形成似乎是所有黑洞周围都会发生的“普遍现象”。

理论学家确定，与黑洞周围混乱且充满能量的碰撞粒子和场的漩涡不同，光子环清晰的边界直接携带了黑洞的重要信息，包括其质量和自转量。“这无疑是真正领略黑洞之美、感受其魅力的最佳方式，”斯特罗明格说道。

2019年，全球射电望远镜网络“事件视界望远镜”发布了首张黑洞照片。这是一张位于附近星系梅西耶87（Messier 87）中心的超大质量黑洞的影像。来源：事件视界望远镜合作组（Event Horizon Telescope Collaboration）

由天文学家、模拟研究人员和理论学家组成的合作团队发现，事件视界望远镜拍摄的这张黑洞照片虽然不足以清晰解析出光子环，但已非常接近。他们在2020年发表的一篇论文中论证道，未来更高分辨率的望远镜应该能够轻松观测到光子环。（新论文称，用算法处理了事件视界望远镜2019年图像原始数据，去除图层后发现了光环，但这一说法遭到了质疑。）

花了很长时间在模拟中研究光子环后，斯特罗明格和他的同事开始思考，这些光子环的形态是否暗示着更深层的意义。

惊人的对称性

光子围绕黑洞做一次U型转弯后迅速飞向地球，会呈现出一个明亮的光环。围绕黑洞做两次U型转弯的光子则会在第一个光环内形成一个更暗、更细的子环。而做三次U型转弯的光子则会在子环内再形成一个子环，以此类推，这些光环层层嵌套，逐层变得更暗、更细。

来自内层子光环的光子绕行的轨道更多，因此会比外层子环的光线更早被捕获。这导致这些光环呈现出“延时快照”般的形态。“这些子光环图集就像电影的帧序，记录了从黑洞视角看到的可见宇宙的历史。”研究团队在2020年的论文中写道。

斯特罗明格提到，当他和团队成员观察事件视界望远镜的图像时，“我们心想，嘿！屏幕上那不是有无数个宇宙的副本吗？全息对偶会不会就藏在那里？”

研究人员发现，这些光环的同心结构表明存在共形对称性。具有共形对称性的系统表现出“尺度不变性”，意味着无论将其放大还是缩小，看起来都一样。在这个案例中，每个光子子光环都是前一个子光环的一个精确、缩小的复制品。此外，共形对称系统在时间前后平移以及所有空间坐标进行反转、平移再反转时都保持不变。

“若与量子引力学者共话时提及‘共形对称’与‘黑洞’二词，其诱惑力堪比在饥犬面前晃动一块鲜肉。”

——哈佛大学 安德鲁·斯特罗明格

斯特罗明格与共形对称性结缘于1990年代。当时他正在研究一种特殊的五维黑洞，共形对称性意外出现在这个极端天体中。通过精确解析该对称性的数学结构，他和库姆伦·瓦法（Cumrun Vafa）另辟蹊径，采用创新方法，首次在广义相对论与量子世界之间搭建起理论桥梁——至少在黑洞这类极端时空结构中实现了突破。他们提出一个大胆的物理图景：将黑洞的视界“剥离”，替换为遵循共形对称性的二维全息界面。这个界面如同承载量子粒子系统的“信息幕布”，其上的量子涨落严格对应着黑洞的宏观属性。研究表明，黑洞的物理特征竟与这个全息系统的共形对称性完美匹配，仿佛黑洞本体是蜷缩在高维时空中的“量子全息投影”。通过这种方式，他们在广义相对论对黑洞的描述与其量子力学描述之间搭建了桥梁。

1997年，马尔达西纳将这一全息原理扩展到了整个宇宙的玩具模型（一种用于解释机制而刻意简化的模型）。他发现了一个“瓶中宇宙”，在这个宇宙中，瓶子表面上的共形对称量子系统精确地映射到了瓶子内部时空和引力的特性上。就好像瓶子内部是一个“宇宙”，像全息图一样从其低维表面投射出来。

这一发现让许多理论家相信，真实的宇宙就是一个全息图。但问题在于，“瓶中宇宙”和我们的宇宙不同。它充满了负曲率时空，有着类似表面的外边界。而我们的宇宙是平坦的。而理论家们对平坦时空的全息对偶知之甚少。“我们需要回到真实的世界，同时借鉴从这些假想世界中学到的知识，”斯特罗明格说道。

因此，研究小组决定研究一个更贴近现实的情形：平坦时空中的旋转黑洞，比如被事件视界望远镜拍摄到的那种黑洞。哈达尔表示：“首要问题是：全息对偶存在于何处？以及它的对称性是什么？”

寻找全息对偶

历史上，共形对称性一直是寻找与引力系统全息对应的量子系统的可靠指引。斯特罗明格认为：“若与量子引力学者共话时提及‘共形对称’与‘黑洞’二词，其诱惑力堪比在饥犬面前晃动一块鲜肉。”

研究小组从广义相对论中描述旋转黑洞的克尔度规（Kerr Metric）出发，开始寻找共形对称性的线索。他们设想用锤子敲击黑洞，使其像铃铛一样发出声响。渐弱的振动就像两个黑洞碰撞时产生的引力波。其振动频率取决于时空的形状（即克尔度规），正如铃铛的音调取决于其形状一样。

安德鲁·斯特罗明格和他的同事最近发现，黑洞的光子环具有一种特殊的对称性。这种对称性常见于全息图性质的物体，此处为黑洞。——艾莉·休梅努克（Allie Humenuk）《塌缩星电影公司》

由于克尔度规过于复杂，精确计算黑洞的振动模式是不现实的。因此，该团队只考虑了由猛烈撞击黑洞而产生的高频振动，以此近似振动模式。他们注意到，这些高能振动模式的波形与黑洞光子环的结构存在某种联系。田纳西州范德比尔特大学引力、波与流体研究中心（Initiative for Gravity, Waves and Fluids）的亚历克斯·卢帕斯卡（Alex Lupsasca）表示：“这一模式完全由光子环决定。”他与斯特罗明格、哈达尔以及哈佛大学的丹尼尔·凯佩克（Daniel Kapec）共同撰写了这篇新论文。

2020年夏天，在新冠疫情期间，研究迎来了关键时刻。研究人员在哈佛大学杰斐逊物理实验室外的草地上搭起了黑板和长凳，面对面讨论。他们发现，正如共形对称性将每一个光子环与下一个子光环联系起来一样，黑洞振动的连续音调也通过共形对称性彼此关联。斯特罗明格认为，这种光子环与黑洞振动之间的关系可能是全息特性的“预兆”。

另一个暗示光子环可能具有特殊意义的线索，来自光子环与黑洞几何之间反直觉的关系。“这非常、非常奇怪，”哈达尔说道，“当你沿着光子环的不同点移动时，实际上是在探测黑洞不同半径或深度。”

这些发现启发了斯特罗明格——相较于事件视界，光子环是一个“天生的候选者”来作为旋转黑洞全息盘的一部分。

如果是这样，或许可以用一种新的方式来理解那些掉入黑洞的物体信息会发生什么——这正是长期未解的“黑洞信息悖论”。最近的计算表明，随着黑洞缓慢蒸发，这些信息会被宇宙以某种方式完整保留。斯特罗明格提出大胆猜想：“信息可能并未坠入黑洞，而是像云团般悬浮在黑洞外围，甚至延伸至光子环区域。"但具体编码方式和运作机制尚未明晰，”他坦言道。

对理论学家的召唤

斯特罗明格团队推测，全息对偶可能存在于光子环内或周围。然而，这一观点受到了部分量子引力理论学家的质疑。他们认为，这种基于光子环共形对称性的推测过于大胆。麻省理工学院的量子引力和黑洞理论学家丹尼尔·哈洛（Daniel Harlow）表示：“探索全息对偶的栖身之处，远比探讨对称性本身要深刻得多。”尽管他支持后续研究，哈洛强调，要证明这种全息对偶的可靠性，必须建立数学映射：将光子环的光子轨道、频率等特性，与黑洞的精细量子细节一一对应。

尽管如此，一些专家表示，这项新研究为所有候选的全息对偶理论提供了一个重要的验证标准：该对偶必须能准确编码旋转黑洞被撞击后的特殊振动模式，就像一口被敲响的铜钟。斯特罗明格表示：“要求描述黑洞的量子系统再现这种复杂性，是一个极大的约束条件——这是此前从未采用过的约束条件。”斯坦福大学理论物理学家伊娃·西尔弗斯坦（Eva Silverstein）认为：“这为人们尝试构建全息对偶模型提供了一个非常精巧的理论数据。”

马尔达西纳也表示认同：“我们需要理解如何将其纳入全息对偶框架，这或将激发该领域的新一轮研究热潮。”

马洛尼推测，光子环对称性的新发现将激发理论家和观测者的兴趣。如果事件视界望远镜的升级计划获得资助，可能在几年内就能探测到光子环。

不过未来的观测数据虽不能直接验证全息原理，却能用于黑洞附近的极限广义相对论检验。至于黑洞周围无限光子陷阱的结构是否能在数学层面加密，还需要理论学家通过纸笔计算。

作者：Thomas Lewton

翻译：边颖

审校：7号机

原文链接：A Black Hole’s Orbiting Ring of Light Could Encrypt Its Inner Secrets