Douglas Stanford对黑洞的迷恋起源于一个让你意想不到的地方——一艘帆船。

10岁那年，Stanford与家人开始了5年驾着帆船环游世界的时光。对Stanford来说，帆船就像是一个物理学实验室，要让船沿着正确的航道行驶就需要平衡风和水所产生的力，他可以看见简单的物理学就在他的眼前发生。

如今，31岁的Stanford将他的物理学知识应用到了更抽象的问题上：黑洞、量子力学和混沌。

○ Douglas Stanford | 图片来源：INSTITUTE FOR ADVANCED STUDY

Stanford是普林斯顿高等研究院和斯坦福大学的理论物理学家，他年轻有为，已经揭示了许多新的见解，其中包括发现黑洞能达到混沌的顶峰，也就是说，没有什么东西比黑洞更混乱。这个发现进一步证实了一个观点，那就是黑洞是宇宙中最极端怪异的天体，更重要的是，它或许有助于我们寻找到一个新的、改进了的引力理论。

在混沌系统中，一个微小的调整就可能产生一系列的连锁效应，从而彻底地改变最终结果。最著名的例子就是蝴蝶效应了，这个假想的场景说的是，一只蝴蝶扇动了一下翅膀，导致气流发生了微小的变化，最终影响了一场龙卷风出现的时间和位置。

Stanford和斯坦福大学的理论物理学家Stephen Shenker通过计算表明，在量子水平上，黑洞会表现出类似的混沌行为。对于黑洞来说，哪怕是出现将一个粒子扔进这个深渊这样的微小改变，也可能彻底改变黑洞的行为方式。

理解黑洞混沌行为的一个关键是，黑洞并不完全是黑的。宇宙中的这种庞然大物能辐射出粒子薄雾，这是在空间各处都在发生的量子粒子对不断地出现和消失所造成的结果。当这个过程发生在黑洞边缘时，一些粒子可能会逃脱，产生所谓的霍金辐射。

Stanford和Shenker在2014年的《高能物理学报》上报告称，对霍金辐射的研究揭示了黑洞所具有的混沌特性。

可以想象，若将一个电子扔进黑洞，对于黑洞这个庞然大物来这说不过是一个极其微小的变化。但是这个微小的变化却可以改变黑洞释放的霍金辐射，像极了因为一只蝴蝶扇动翅膀，结果让一艘远方的帆船改变了航行的方向。

添加任何一个粒子都会导致黑洞质量的增加，并让黑洞的事件视界（包括光在内的任何物体无法逃逸的黑洞边界）略向外扩展，这使得原本能够被发射出去的霍金辐射如今被束缚在扩展的黑洞里。一个看似无关紧要的变化却最终会产生巨大的影响，这就是混沌的定义。

○ （1）想象在黑洞附近有一个粒子，粒子有落入黑洞的危险。一段时间后，这个粒子可能有机会逃脱。（2）但是如果另一个粒子被抛入黑洞，黑洞就会膨胀，进而困住原先本可逃脱的粒子。对黑洞的微小改变会改变最终的结果——这就是混沌。| 图片来源：T. TIBBITTS

Stanford将这个想法进一步延伸。2016年，他和Shenker以及高级研究院的Juan Maldacena从理论上证明了，一个黑洞受到的微小改变所产生的回响会像滚雪球一样，以物理上可行的最快速度传播开来。正是这种滚雪球般的效应让黑洞成为自然法则所允许的最为混沌的系统。

Stanford和其他人希望通过理解微小粒子和庞大黑洞之间的联系，来解决物理学最重要的两个理论——量子力学和广义相对论之间的矛盾。他们的目标是建立一个能将这两个长期存在冲突的理论结合起来的量子引力理论。二者之间的这种冲突暗示着物理学的核心存在着一些巨大而深刻的错误。Stanford关于黑洞的新想法或许能帮助科学家找到一个解决方案。

Stanford的同事认为，他已经处于做出更大的发现的边缘。加州大学伯克利分校的理论物理学家Raphael Bousso说：“Stanford是一个深刻的思想者，也是具有强大计算能力的人，这是一种非常罕见的结合，只有最优秀的物理学家身上才具有这种特质。”尽管还很年轻，Stanford却已经获得了斯坦福大学的副教授职位。

Maldacena说，跟Stanford一起工作让他觉得自己又像个学生了，Stanford会纠正他的错误，并为他提供很好的想法。这可不是一个小小的壮举，要知道Maldacena可是量子引力和弦论领域的巨人，因为发现物理学家仍在苦苦思索的怪异数学而闻名（详见：《是他，打开了一扇通往终极理论的大门》）。

Shenker说：“Stanford可能是极少数真正能改变科学进程的人之一，我期待看看自己是否正确。”

？ 扩展阅读：《黑洞与蝴蝶效应》

参考来源：

https://www.sciencenews.org/article/douglas-stanford-sn-10-scientists-watch

来源：原理