黑洞将会通向哪里?

文章作者:治理一号 | 2019-09-26
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黑洞将会通向哪里?黑洞将会通向哪里?

  据外洋媒体报道,如果可以穿越黑洞,你会去往哪里?会有什么期待着你?如果你能平安无事地回来,又能讲述什么滑稽的故事呢?

  所有这些问题都可以用一句简朴的话来回复,那即是“谁知道呢?”在科学技术日新月异的今天,黑洞的玄妙依然莫测高深。落入事件视界之后,实际上即是越过了一层屏障。一旦有人掉下去,就再也不能把信息传回来了,他们会被巨大的引力撕成碎片。所以理论上,任何穿过事件视界的人不会去往任何地方。

  这听起来似乎是一个令人失望和痛苦的答案,但其实也在意料之中。爱因斯坦的广义相对论将时空与引力作用联系起来,预言了黑洞的存在,厥后的研究讲明,黑洞是由质量足够大的恒星死亡所发生的。恒星死亡之后,会留下一个小而致密的残余焦点,假设这个焦点的质量约为太阳的三倍以上,那么引力就会使其坍缩,成为一个点,称为“奇点”(又称引力奇点或时空奇点),这是一个体积无限小、密度无限大、引力无限大、时空曲率无限大的点,被认为是黑洞的中心。

  由此发生的黑洞具有极其强大的引力,甚至连光线都无法逃脱。因此,如果你发现自己处于事件视界时,你就注定无处可逃。德国天文学家卡尔•史瓦西(Karl Schwarzschild)盘算得出,如果某天体的全部质量压缩到很小的“引力半径”之内,那么其所有物质、能量(包罗光线)都将被引力囚禁在内。从外界看,这一天体就是绝对黑暗的存在,也就是黑洞。事件视界就是黑洞周围的时空曲隔界线,光和物质只能向内通过事件视界。凭据梅西的说法,潮汐力会把你的身体缩成原子链的形式(也被称为“意大利面化”),并最终会在奇点处被压碎。你或许会想在黑洞的另一端逃出来,但这似乎完全是理想。

  那么,虫洞呢?

虫洞的想象图。如果虫洞存在,它们可能会通向另一个宇宙。但是,没有证据讲明虫洞真实存在,也没有证据讲明黑洞也会像虫洞一样  虫洞的想象图。如果虫洞存在,它们可能会通向另一个宇宙。但是,没有证据讲明虫洞真实存在,也没有证据讲明黑洞也会像虫洞一样

  多年来,科学家一直在研究黑洞成为虫洞的可能性,是否能通往其他星系。正如一些人所说,黑洞甚至可能是通往另一个宇宙的路径。

  这样的想法已经流传了一段时间。1935年,爱因斯坦与内森·罗森(Nathan Rosen)相助建设了连接时空中两个差异点的虫洞(又称爱因斯坦-罗森桥)假说。但在20世纪80年代,物理学家基普·索恩(Kip Thorne)提倡了一个讨论,试图了解一个物体能否以物理方式穿过虫洞。这一讨论为虫洞理论开辟了一些新的领域。索恩是研究爱因斯坦广义相对论天体物理学寄义的世界顶尖专家之一。

  梅西说:“当我照旧个孩子的时候,最先让我对物理学发生了兴趣的,就是基普·索恩那本关于虫洞的脱销书。”然而,虫洞似乎并不存在。

  事实上,索恩在他的《星际穿越》(The Science of Interstellar)一书中写道,“我们的宇宙中没有任何物体会随着年龄的增长而酿成虫洞。”索恩向好莱坞影戏《星际穿越》(Interstellar)的制作团队提供了专业建议。索恩体现,穿越虫洞这样的理论性通道,很可能仍是科幻情节,而且没有确凿的证据讲明,黑洞会允许这样的通道存在。

  但是,问题在于我们无法近距离亲眼看到黑洞。我们甚至不能拍摄黑洞内发生的任何事情,因为光不能逃离黑洞的巨大引力,照相机就什么也拍不到。凭据目前的理论,任何穿过事件视界的工具都市被简朴地添加到黑洞中。而且,由于时间在接近这一界限的地方会发生扭曲,这一历程似乎将极其缓慢地发生,因此我们不会很快获得结论。

  “我认为尺度的说法是,它们导致了时间的终结,”哈佛大学天文学和物理学教授道格拉斯·芬克贝纳(Douglas Finkbeiner)说,“远处的视察者不会看到他们的宇航员朋友掉进黑洞。当他们接近事件视界时,只会变得更红、更暗(由于引力红移)。但实际上,他的朋友已经掉进了黑洞,到了一个逾越‘永远’的地方。无论这个‘永远’是什么意思。”

  也许黑洞会通向白洞

黑洞潮汐撕裂恒星事件的想象图。当一颗恒星太接近超大质量黑洞时,就会发生潮汐撕裂事件黑洞潮汐撕裂恒星事件的想象图。当一颗恒星太接近超大质量黑洞时,就会发生潮汐撕裂事件

  虽然,如果黑洞确实指向星系或宇宙的另一部门,那么在另一边,可能就存在性质与之相反的工具。这可能是一个白洞吗?这是1964年俄罗斯宇宙学家伊戈尔·诺维科夫(Igor Novikov)在1964年提出的看法。诺维科夫提出,黑洞与存在于已往的白洞相连。与黑洞差异,物质和光线无法进入白洞,但可以从这一时空区域离开。

  科学家一直在探索黑洞和白洞之间的潜在联系。2014年,物理学家卡洛·罗维里(Carlo Rovelli)和哈尔·哈格德(Hal M。 Haggard)在《物理评论D》(Physical Review D)杂志上发表论文称,“在有限的时空区域之外,存在一个满足爱因斯坦方程的经典度规。而在这个有限的时空区域内,物质坍缩成黑洞,然后泛起在一个白洞中。”换句话说,所有被黑洞吞噬的物质都有可能被喷出,当黑洞死亡时,它们可能就酿成了白洞。

  黑洞非但不会破坏它所吸收的信息,反而可能会停止坍缩。黑洞可能会经历量子反弹,让信息逃逸。如果是这样的话,前剑桥大学宇宙学家、理论物理学家斯蒂芬·霍金的一个看法或许就能找到一些线索。在上世纪70年代,霍金探索了黑洞因量子涨落而释放粒子和辐射(热能)的可能性。

  芬克贝纳指出,霍金认为黑洞不会永远存在。在1976年发表于《物理评论D》的论文中,霍金盘算出,辐射会导致黑洞失去能量,进而缩小并消失。另一方面,他声称辐射出来的粒子将是随机的,不包罗黑洞内部的信息,导致其中的信息将永远消失。

  这意味着,霍金的看法与量子理论相悖。量子理论认为,信息不能被摧毁。物理学认为,信息正变得越来越难以找到,因为一旦丢失,就不行能知道已往或未来。霍金的想法导致了“黑洞信息佯谬”(black hole information paradox),恒久以来一直困扰着科学家。有些人认为霍金完全错了,而霍金本人甚至在2004年都柏林的一次科学聚会会议上宣称,他犯了一个错误。

  那么,我们是否要回到黑洞通过白洞来发出内部信息的看法呢?也许吧。在2013年发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)的研究中,美国路易斯安那州立大学的豪尔赫·普林(Jorge Pullin)等研究者将圈量子引力论应用于黑洞,发现引力会朝着黑洞焦点的偏向增加,但会淘汰并撞开进入宇宙另一区域的任何物质。这些结果为黑洞作为“传送门”的看法提供了特别的证据。在这项研究中,奇点并不存在,因此不会形成一个不行逾越的屏障。这也意味着,信息不会消失。

  也许黑洞没有出口

  然而,物理学家艾哈迈德·阿姆黑利、唐纳德·马若夫、约瑟夫·波尔钦斯基和詹姆斯·苏利仍然相信霍金的理论是有原理的。他们研究的理论厥后被称为“AMPS火墙”(或黑洞火墙)假说。凭据他们的盘算,量子力学可以有效地将事件视界酿成巨大的火墙,任何与之接触的物体都市在瞬间燃烧。从这个意义上说,黑洞没有出口,因为没有任何工具能进入黑洞。

  然而,这违反了爱因斯坦的广义相对论。如果有人能跨越事件视界,那他实际上不应该感应任何很大的困难,因为一个物体将处于自由落体状态,凭据等效原理,这个物体(或人)不会感受到引力的极端影响。这一看法可以遵循宇宙中其他地方存在的物理定律,但纵然不违背爱因斯坦的广义相对论,它也会破坏量子场论,或者讲明信息可能会丢失。

  一个不确定的黑洞

  让我们再说回霍金。2014年,他发表了一项研究,在其中避开了事件视界的存在,认为引力坍缩会发生一个“表观视界”。

  这个视界将会使试图离开黑洞焦点的光线悬浮起来,并会连续“一段时间”。在他的重新思考中,表观视界暂时保留了物质和能量,之后才会吸收和释放它们。这种解释最切合量子理论——量子理论认为信息不能被摧毁——而且,如果被证实,就将意味着任何工具都可以从黑洞中逃逸。

  霍金甚至说黑洞可能基础不存在。“黑洞应该被重新界说为引力场的亚稳态束缚态,”他写道。这里不会有奇点,虽然表观视界会因为引力而向内移动,但它永远不会到达中心,并被合并成一个致密的物体。

  然而,黑洞释放的任何工具都将不会是被吞噬的信息形式。我们不行能通过视察结果来判断发生了什么,而结果自己就是问题。

  有一件事是肯定的,在未来很长一段时间内,关于黑洞的谜团将吞噬更多的科学研究时间。有物理学家最近提出,暗物质可以由黑洞蒸发后的残余部门组成。2018年,霍金去世前最后一篇黑洞论文宣布,题名为《黑洞熵与软毛发》。文中描述了零能量粒子如何离开事件视界,并不再返回。这个看法讲明,信息并不是消失,而是被捕捉。

  然而,这与物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒提出的“无毛定理”相悖。该定理的基础是,两个黑洞对视察者来说是无法分辨的,因为黑洞只有质量、角动量和电荷这三个不能编委电磁辐射的守恒量,其他信息都丧失了。霍金的看法引起了科学家们的讨论,但可以想见,想要了解黑洞究竟通向何方,我们另有很长的路要走。

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