黑洞通向哪里?
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2021-02-13 10:56
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火星译客
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一个黑洞会通向哪里?

(图片: © All About Space magazine)

所以你在这里,即将跳入一个黑洞。还有什么可以等待--尽管困难重重--你能以某种方式生存下来吗?你会在哪里结束,如果你成功地喧嚣着回来,你会有什么动人的故事?

所有这些问题的简单答案是,正如理查德·马西教授所解释的,“谁知道呢?”作为达勒姆大学计算宇宙学研究所的皇家学会研究员,马西完全意识到黑洞的奥秘是深奥的。他说:“从视界跌入视界实际上是在越过面纱--一旦有人从视界上掉下来,就没有人能发出信息回来。”“巨大的地心引力会把它们撕成碎片,所以我怀疑有谁会掉下去。

如果这听起来像是一个令人失望和痛苦的答案,那么这是意料之中的。自从爱因斯坦的广义相对论被认为是通过将时空和引力的作用联系起来来预测黑洞以来,人们就知道黑洞是由一颗大质量恒星的死亡而产生的,它留下了一个小而密集的残核。假设这个核的质量大约是太阳质量的三倍,那么引力就会淹没在它自己身上,变成一个点,或者说奇点,被理解为黑洞无限致密的核心。

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由此产生的无法居住的黑洞将具有如此强大的引力,以至于连光都无法躲开它。因此,如果你发现自己在事件视界--正如德国天文学家卡尔·施瓦茨柴尔德(KarlSchwarzschild)所提议的那样,光和物质只能向内传递--那就没有出路了。根据Massey的说法,潮汐力量会把你的身体缩小成原子链(也就是我们所知的“意大利面化”),这个物体最终会在奇点被压碎。你可以从某个地方冒出来的想法--也许是在另一边--似乎完全是一种幻想。

那么虫洞呢?

或者是?多年来,科学家们一直在研究黑洞对其他星系可能是虫洞的可能性。正如一些人所暗示的,它们甚至可能是通往另一个宇宙的一条道路。

这样的想法已经流传了一段时间了:1935年,爱因斯坦与内森·罗森(NathanRosen)合作,对连接时空两个不同点的桥梁进行了理论分析。但在20世纪80年代,当物理学家基普·索恩(Kip Thorne)--爱因斯坦广义相对论的天体物理学含义方面的世界领先专家之一--提出了一场关于物体是否能通过它们的讨论时,它得到了一些新的进展。

梅西说:“阅读基普·索恩(KipThorne)关于虫洞的通俗书,首先让我对小时候的物理感到兴奋。”但似乎不太可能存在虫洞。

的确,索恩在他的著作“星际科学”(The Science Of Interstar)中写道:“在我们的宇宙中,没有任何物体会随着年龄的增长而变成虫洞。”索恩曾向好莱坞电影“星际之星”(Interstar)的制作团队提供专家建议。“星际科学”(W.W.Norton and Company,2014)。Thorne告诉Space.com,穿越这些理论隧道的旅程很可能仍然是科幻小说,当然也没有确凿的证据表明黑洞可以允许这样的通道通过。

艺术家关于虫洞的概念。如果虫洞存在,它们可能会导致另一个宇宙。但是,没有证据表明虫洞是真实的,也没有证据表明黑洞会表现得像一个黑洞。(图片来源:Shutterstock)

但是,问题是我们不能站起来亲自去看。为什么,我们甚至不能拍摄黑洞内发生的任何事情--如果光无法摆脱它们巨大的引力,那么相机就无法拍摄任何东西。从理论上看,任何超越事件视界的东西都被简单地添加到黑洞中,而且,更重要的是,由于时间在这个边界附近扭曲,这看起来会非常缓慢地发生,所以答案不会很快出现。

哈佛大学天文学和物理学教授道格拉斯·芬克贝纳(Douglas Finkbeiner)说:“我认为标准的说法是,它们会导致时间的终结。”“远处的观察者不会看到他们的宇航员朋友掉进黑洞。当他们接近视界时(由于引力红移),他们会变得更红、更暗。但这位朋友正好掉进了一个‘永远’之外的地方。不管这意味着什么。”

也许黑洞会通向一个白色的洞。

当然,如果黑洞确实导致了一个星系或另一个宇宙的另一部分,那就需要在另一边有一些与它们相反的东西。这会是一个白洞吗?这是俄罗斯宇宙学家伊戈尔·诺维科夫(IgorNovikov)1964年提出的理论吗?诺维科夫提出,黑洞与过去存在的白色黑洞相联系。与黑洞不同的是,白色的黑洞会允许光和物质离开,但是光和物质将无法进入。

科学家们继续探索黑洞和白洞之间的潜在联系。在2014年发表在“物理评论D”(PhysicalReview D)杂志上的研究中,物理学家卡洛·罗维利(Carlo Rovelli)和哈尔·M·哈格德(Hal M.Haggard)声称,“在有限的时空区域之外,有一个满足爱因斯坦方程的经典度量,在那里物质会塌缩成黑洞,换句话说,所有被吞没的物质都可能被喷出,当黑洞死去时,它们可能会变成白色的黑洞。

黑洞的崩溃不仅不会破坏它所吸收的信息,反而会停止。相反,它将经历一次量子反弹,从而使信息得以逃逸。如果果真如此,它将为前剑桥大学宇宙学家和理论物理学家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的一项提议提供一些启示。霍金在上世纪70年代探索了黑洞由于量子涨落而发射粒子和辐射--热热--的可能性。

“霍金说黑洞不会永远存在,”芬克贝纳说。霍金计算出,辐射会导致黑洞失去能量、收缩和消失,正如他1976年发表在“物理评论D”上的论文所描述的那样。考虑到他声称辐射会是随机的,并且不包含任何关于下落的信息,黑洞一旦爆炸,就会抹去大量的信息。

这意味着霍金的观点与量子理论不一致,量子理论认为信息不能被摧毁。物理状态信息变得更难找到,因为一旦信息丢失,就不可能知道过去或未来。霍金的思想导致了“黑洞信息悖论”,长期以来一直困扰着科学家。有人说霍金是错的,他自己甚至在2004年都柏林的一次科学会议上宣称自己犯了错误。

那么,我们是否回到黑洞的概念,发出保存下来的信息,并通过一个白洞把它扔回去?也许吧。在2013年发表在“物理评论快报”上的研究报告中,路易斯安那州立大学的Jorge Pullin和乌拉圭蒙得维的亚共和国大学的Rodolfo Gambini将环形量子引力应用于黑洞,发现引力向核心的方向增加,但减小并撞击了任何进入宇宙另一个区域的东西。研究结果进一步证实了黑洞作为门户的观点。在这项研究中,奇点并不存在,因此它不会形成不可逾越的屏障,最终粉碎它所遇到的一切。这也意味着信息不会消失。

也许黑洞不通向任何地方

然而物理学家艾哈迈德·阿勒梅里,唐纳德·马罗夫,约瑟夫·波钦斯基和詹姆斯·萨利。仍然认为唐纳德·马夫霍金可能发现了一些东西。他们研究了一种后来被称为AMPS防火墙的理论,即黑洞防火墙假说。通过他们的计算,量子力学可以将事件视界变成巨大的火焰墙,任何接触到的东西都会在瞬间燃烧。从这个意义上说,黑洞无处可寻,因为任何东西都进不了里面。

然而,这违反了爱因斯坦的广义相对论。跨过事件视界的人实际上不应该感到任何巨大的困难,因为一个物体会自由落体,并且,根据等效原理,该物体--或人--不会感受到重力的极端影响。它可以遵循宇宙中其他地方存在的物理定律,但即使它不违背爱因斯坦的原理,它也会破坏量子场论或暗示信息可能会丢失。

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艺术家对潮汐干扰事件的印象,这是当一颗恒星经过过近一个超大质量黑洞时发生的。(图片来源:太空天文杂志)

充满不确定性的黑洞

在霍金的基础上再向前走一步。2014年,他发表了一项研究,其中他回避了事件视界的存在--这意味着没有什么东西可以燃烧--他说引力塌陷会产生一个“明显的视界”。

这一视界将使试图离开黑洞核心的光线暂停,并将持续“一段时间”。在他的反思中,明显的视界在溶解和释放物质和能量之前暂时保留了物质和能量。这一解释与量子理论最符合--量子理论认为信息不能被破坏--而且,如果它被证实了,它就意味着任何东西都有可能从黑洞中逃脱。

霍金甚至说黑洞可能根本不存在。“黑洞应该被重新定义为引力场的亚稳态,”他写道。没有奇点,虽然表面场会因为重力而向内移动,但它永远不会到达中心,并在密集的质量中被巩固。

然而,发出的任何东西都不会以吞没的信息的形式出现。要想弄清楚究竟发生了什么,是不可能的,因为这会导致自身的问题--比如说,对于一个发现自己处于如此令人震惊的境地的人来说,这是不可能的。他们再也不会有同样的感觉了!

有一件事是肯定的,这个特别的谜团将在未来很长一段时间内吞噬更多的科学时间。罗维利(Rovelli)和弗朗西斯卡·维多托(Francesca Vidotto)最近提出,暗物质的一个组成部分可以由蒸发黑洞的残留物形成,霍金关于黑洞和“软头发”的论文于2018年发表,并描述了零能量粒子是如何在无法返回的时刻--事件视界--留下的--这个想法表明信息不是丢失了,而是捕捉到了。

这违反了物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒提出的无发定理,其依据是两个黑洞对观察者来说是无法区分的,因为没有一个特殊的粒子物理伪电荷是保守的。这个想法已经引起了科学家们的讨论,但在被认为是黑洞所导致的结果之前,还有一段路要走。要是我们能想办法跳进去就好了。

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(图片来源:太空天文杂志)

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