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黑洞將會通向哪里?

文章作者:管理一號 | 2019-09-26
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黑洞將會通向哪里?黑洞將會通向哪里?

  據國外媒體報道,假如可以穿越黑洞,你會去往哪里?會有什么等待著你?假如你能安然無恙地回來,又能講述什么風趣的故事呢?

  所有這些問題都可以用一句簡單的話來答復,那便是“誰知道呢?”在科學技術日新月異的今天,黑洞的奧妙依然莫測高深。落入事件視界之后,實際上便是越過了一層屏障。一旦有人掉下去,就再也不能把信息傳回來了,他們會被巨大的引力撕成碎片。所以理論上,任何穿過事件視界的人不會去往任何地方。

  這聽起來似乎是一個令人失望和痛苦的答案,但其實也在意料之中。愛因斯坦的廣義相對論將時空與引力作用聯系起來,預言了黑洞的存在,后來的研究表明,黑洞是由質量足夠大的恒星死亡所產生的。恒星死亡之后,會留下一個小而致密的殘余核心,假設這個核心的質量約為太陽的三倍以上,那么引力就會使其坍縮,成為一個點,稱為“奇點”(又稱引力奇點或時空奇點),這是一個體積無限小、密度無限大、引力無限大、時空曲率無限大的點,被認為是黑洞的中心。

  由此產生的黑洞具有極其強大的引力,甚至連光線都無法逃脫。因此,如果你發現自己處于事件視界時,你就注定無處可逃。德國天文學家卡爾•史瓦西(Karl Schwarzschild)計算得出,如果某天體的全部質量壓縮到很小的“引力半徑”之內,那么其所有物質、能量(包括光線)都將被引力囚禁在內。從外界看,這一天體就是絕對黑暗的存在,也就是黑洞。事件視界就是黑洞周圍的時空曲隔界線,光和物質只能向內通過事件視界。根據梅西的說法,潮汐力會把你的身體縮成原子鏈的形式(也被稱為“意大利面化”),并最終會在奇點處被壓碎。你或許會想在黑洞的另一端逃出來,但這似乎完全是幻想。

  那么,蟲洞呢?

蟲洞的想象圖。如果蟲洞存在,它們可能會通向另一個宇宙。但是,沒有證據表明蟲洞真實存在,也沒有證據表明黑洞也會像蟲洞一樣  蟲洞的想象圖。如果蟲洞存在,它們可能會通向另一個宇宙。但是,沒有證據表明蟲洞真實存在,也沒有證據表明黑洞也會像蟲洞一樣

  多年來,科學家一直在研究黑洞成為蟲洞的可能性,是否能通往其他星系。正如一些人所說,黑洞甚至可能是通往另一個宇宙的路徑。

  這樣的想法已經流傳了一段時間。1935年,愛因斯坦與內森·羅森(Nathan Rosen)合作建立了連接時空中兩個不同點的蟲洞(又稱愛因斯坦-羅森橋)假說。但在20世紀80年代,物理學家基普·索恩(Kip Thorne)發起了一個討論,試圖了解一個物體能否以物理方式穿過蟲洞。這一討論為蟲洞理論開辟了一些新的領域。索恩是研究愛因斯坦廣義相對論天體物理學含義的世界頂尖專家之一。

  梅西說:“當我還是個孩子的時候,最先讓我對物理學產生了興趣的,就是基普·索恩那本關于蟲洞的暢銷書。”然而,蟲洞似乎并不存在。

  事實上,索恩在他的《星際穿越》(The Science of Interstellar)一書中寫道,“我們的宇宙中沒有任何物體會隨著年齡的增長而變成蟲洞。”索恩向好萊塢電影《星際穿越》(Interstellar)的制作團隊提供了專業建議。索恩表示,穿越蟲洞這樣的理論性通道,很可能仍是科幻情節,而且沒有確鑿的證據表明,黑洞會允許這樣的通道存在。

  但是,問題在于我們無法近距離親眼看到黑洞。我們甚至不能拍攝黑洞內發生的任何事情,因為光不能逃離黑洞的巨大引力,照相機就什么也拍不到。根據目前的理論,任何穿過事件視界的東西都會被簡單地添加到黑洞中。而且,由于時間在接近這一邊界的地方會發生扭曲,這一過程似乎將極其緩慢地發生,因此我們不會很快獲得結論。

  “我認為標準的說法是,它們導致了時間的終結,”哈佛大學天文學和物理學教授道格拉斯·芬克貝納(Douglas Finkbeiner)說,“遠處的觀察者不會看到他們的宇航員朋友掉進黑洞。當他們接近事件視界時,只會變得更紅、更暗(由于引力紅移)。但實際上,他的朋友已經掉進了黑洞,到了一個超越‘永遠’的地方。無論這個‘永遠’是什么意思。”

  也許黑洞會通向白洞

黑洞潮汐撕裂恒星事件的想象圖。當一顆恒星太接近超大質量黑洞時,就會發生潮汐撕裂事件黑洞潮汐撕裂恒星事件的想象圖。當一顆恒星太接近超大質量黑洞時,就會發生潮汐撕裂事件

  當然,如果黑洞確實指向星系或宇宙的另一部分,那么在另一邊,可能就存在性質與之相反的東西。這可能是一個白洞嗎?這是1964年俄羅斯宇宙學家伊戈爾·諾維科夫(Igor Novikov)在1964年提出的概念。諾維科夫提出,黑洞與存在于過去的白洞相連。與黑洞不同,物質和光線無法進入白洞,但可以從這一時空區域離開。

  科學家一直在探索黑洞和白洞之間的潛在聯系。2014年,物理學家卡洛·羅維里(Carlo Rovelli)和哈爾·哈格德(Hal M。 Haggard)在《物理評論D》(Physical Review D)雜志上發表論文稱,“在有限的時空區域之外,存在一個滿足愛因斯坦方程的經典度規。而在這個有限的時空區域內,物質坍縮成黑洞,然后出現在一個白洞中。”換句話說,所有被黑洞吞噬的物質都有可能被噴出,當黑洞死亡時,它們可能就變成了白洞。

  黑洞非但不會破壞它所吸收的信息,反而可能會停止坍縮。黑洞可能會經歷量子反彈,讓信息逃逸。如果是這樣的話,前劍橋大學宇宙學家、理論物理學家斯蒂芬·霍金的一個觀點或許就能找到一些線索。在上世紀70年代,霍金探索了黑洞因量子漲落而釋放粒子和輻射(熱能)的可能性。

  芬克貝納指出,霍金認為黑洞不會永遠存在。在1976年發表于《物理評論D》的論文中,霍金計算出,輻射會導致黑洞失去能量,進而縮小并消失。另一方面,他聲稱輻射出來的粒子將是隨機的,不包含黑洞內部的信息,導致其中的信息將永遠消失。

  這意味著,霍金的觀點與量子理論相悖。量子理論認為,信息不能被摧毀。物理學認為,信息正變得越來越難以找到,因為一旦丟失,就不可能知道過去或未來。霍金的想法導致了“黑洞信息佯謬”(black hole information paradox),長期以來一直困擾著科學家。有些人認為霍金完全錯了,而霍金本人甚至在2004年都柏林的一次科學會議上宣稱,他犯了一個錯誤。

  那么,我們是否要回到黑洞通過白洞來發出內部信息的概念呢?也許吧。在2013年發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)的研究中,美國路易斯安那州立大學的豪爾赫·普林(Jorge Pullin)等研究者將圈量子引力論應用于黑洞,發現引力會朝著黑洞核心的方向增加,但會減少并撞開進入宇宙另一區域的任何物質。這些結果為黑洞作為“傳送門”的觀點提供了額外的證據。在這項研究中,奇點并不存在,因此不會形成一個不可逾越的屏障。這也意味著,信息不會消失。

  也許黑洞沒有出口

  然而,物理學家艾哈邁德·阿姆黑利、唐納德·馬若夫、約瑟夫·波爾欽斯基和詹姆斯·蘇利仍然相信霍金的理論是有道理的。他們研究的理論后來被稱為“AMPS火墻”(或黑洞火墻)假說。根據他們的計算,量子力學可以有效地將事件視界變成巨大的火墻,任何與之接觸的物體都會在瞬間燃燒。從這個意義上說,黑洞沒有出口,因為沒有任何東西能進入黑洞。

  然而,這違反了愛因斯坦的廣義相對論。如果有人能跨越事件視界,那他實際上不應該感到任何很大的困難,因為一個物體將處于自由落體狀態,根據等效原理,這個物體(或人)不會感受到引力的極端影響。這一觀點可以遵循宇宙中其他地方存在的物理定律,但即使不違背愛因斯坦的廣義相對論,它也會破壞量子場論,或者表明信息可能會丟失。

  一個不確定的黑洞

  讓我們再說回霍金。2014年,他發表了一項研究,在其中避開了事件視界的存在,認為引力坍縮會產生一個“表觀視界”。

  這個視界將會使試圖離開黑洞核心的光線懸浮起來,并會持續“一段時間”。在他的重新思考中,表觀視界暫時保留了物質和能量,之后才會吸收和釋放它們。這種解釋最符合量子理論——量子理論認為信息不能被摧毀——而且,如果被證實,就將意味著任何東西都可以從黑洞中逃逸。

  霍金甚至說黑洞可能根本不存在。“黑洞應該被重新定義為引力場的亞穩態束縛態,”他寫道。這里不會有奇點,雖然表觀視界會因為引力而向內移動,但它永遠不會到達中心,并被合并成一個致密的物體。

  然而,黑洞釋放的任何東西都將不會是被吞噬的信息形式。我們不可能通過觀察結果來判斷發生了什么,而結果本身就是問題。

  有一件事是肯定的,在未來很長一段時間內,關于黑洞的謎團將吞噬更多的科學研究時間。有物理學家最近提出,暗物質可以由黑洞蒸發后的殘余部分組成。2018年,霍金去世前最后一篇黑洞論文公布,題名為《黑洞熵與軟毛發》。文中描述了零能量粒子如何離開事件視界,并不再返回。這個觀點表明,信息并不是消失,而是被捕獲。

  然而,這與物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒提出的“無毛定理”相悖。該定理的基礎是,兩個黑洞對觀察者來說是無法分辨的,因為黑洞只有質量、角動量和電荷這三個不能編委電磁輻射的守恒量,其他信息都喪失了。霍金的觀點引起了科學家們的討論,但可以想見,想要了解黑洞究竟通向何方,我們還有很長的路要走。

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