物理學的盡頭是數學？科學家：黑洞奇點是宇宙源碼的編譯器

新理論研究結果顯示，宇宙最極端的物理環境可能遵循著最純粹的數學規律。

“質數（prime numbers）”無法分解為更小的自然數，只能被 1 和自身整除。如同物理學中的“基本粒子”，它們是數學中的“基本數”。

新研究進展表明，這些“基本數”，正在為解決物理學中最深奧的謎題提供思路。在過去一年中，研究人員發現基于質數的公式可以用來描述黑洞的特性。幾百年以來，數論學家基于質數推導出了各種定理和猜想。而這種新的聯系表明，支配著質數的數學原理，可能也支配著宇宙間的某些基本定律。

黑洞是宇宙間最極端的天體。其中心存在著所謂的“奇點（singularities）”。面對“奇點”，經典物理學開始失效，在那里，引力變得無窮大。但在上世紀 60 年代，物理學家發現與緊鄰“奇點”的區域，會涌現一種特殊的“混沌”，且這種“混沌”的模式與近年來人們在研究質數時發現的“混沌”極為相似。

質數的分布規律一直困擾著數學家。它們既不像完全隨機，也看不出明顯規律。幾個世紀以來，人們一直試圖理解這些數字背后的秩序。其中最著名的嘗試，就是“黎曼猜想（Riemann hypothesis）”。

1859 年，德國數學家伯恩哈德·黎曼（Bernhard Riemann）提出了“ ζ 函數（zeta function）”，可以非常準確地估算某個范圍內質數的數量。這個函數的關鍵，在于一系列被稱為“零點（zeros）”的解。數學家相信，如果這些“零點”全部落在一條特定的線上，那么質數分布背后的規律就會顯現。但是時至今日，該猜想仍未被證明。

上世紀 80 年代末，物理學家伯納德·朱利亞（Bernard Julia）提出過一個大膽設想：假如存在一種粒子，它的能級恰好等于質數的對數，那么由這些粒子組成的系統，其統計性質就會自然對應黎曼 ζ 函數。這種假想粒子被稱為 “質數子（primons）”。

當時，這個想法僅被視為一種優美的數學類比。但二十多年后，倫敦國王學院的物理學家揚·費奧多羅夫（Yan Fyodorov）、俄亥俄州立大學的蓋斯·希亞里（Ghaith Hiary）和牛津大學的喬恩·基廷（Jon Keating）發現，ζ 函數零點的波動會涌現出“分形混沌（fractal chaos）”。

巧的是，愛因斯坦的廣義相對論認為，“奇點”附近也會涌現相同的混沌。

2025 年，劍橋大學物理學家肖恩·哈特諾爾（Sean Hartnoll）與楊明（Ming Yang）發現，“奇點”附近的混沌區域內會涌現出“共形（conformal）”對稱性——相同的結構會在不同的尺度上重復出現。結合數學推導，研究人員發現，“奇點”附近可能存在一個能譜按“質數”排列的量子系統——一個由“共形”質數子構成的氣體云（conformal primon gas cloud）。

數月之后，研究人員在新論文中宣稱，他們將分析擴展到了五維宇宙。結果發現，額外維度的加入，催生了一種新的特性。在描述奇點時，需要引入包含虛數（imaginary number）單位的“復質數（complex primon）”——亦即所謂的“高斯質數（Gaussian primes）”。高斯質數無法被其他復數進一步分解。研究人員稱其為 “復質數子氣體（complex primon gas）” 。

研究人員稱，目前尚不清楚奇點附近出現質數隨機性是否有更深層的含義。但令人著迷的是，這種關聯延伸到了某些更高維度的引力論，包括某些量子引力論的候選方案中。

盡管聽起來頗像科幻小說，但質數與宇宙底層邏輯的聯系，正在成為數學家和物理學家認真研究的課題。如果這些理論方向最終得到驗證，那意味著宇宙最極端的物理環境，可能遵循著最純粹的數學規律。表明某些我們還未理解的黑洞量子引力現象，受到了某些優美結構的支配。而數論，可能正是描述這種結構的天然語言。

參考

Are prime numbers hiding inside black holes?

https://www.scientificamerican.com/article/are-prime-numbers-hiding-inside-black-holes/