掉入黑洞之中是一種什麼體驗?

TECH2IPO 於 02/07/2015 發表 收藏文章

文章來源:arstechnica,TECH2IPO/創見 陳錚編譯,譯文創見首發,轉載請註明出處

在電影《星際穿越》中男主角庫珀及時逃離了一個黑洞,只為看到自己彌留之際的女兒墨菲。不少人認為這一部電影很符合科學道理,它應該被學校收錄為科普教材之一。但是在現實中,卻有很多科學家相信任何被吸入黑洞之中的物體都會因為引力迅速加大而被摧毀,然而一項最新的研究結果表明事情也許並非如此。

該研究表示相比我們之前想象的黑洞會「吞噬」掉入其中的物體,當人類跌入黑洞之中時,他或許實際上就成為了一種全息影像,甚至連他本人也不知道自己已經脱離了肉胎凡身。這一論文挑戰了學界對於黑洞的傳統看法,在傳統觀點中科學家們認為任何人如果跌入黑洞之中就會撞到火焰牆上瞬間被摧毀。

霍金的黑洞


40 年前,斯蒂芬•霍金的研究發現震驚了科學界,他提出黑洞其實並不「黑」。説黑洞「黑」其實是指它就像宇宙中的無底洞,它不會向外界發射或反射任何光線,也不會發射或反射其他形式的電磁波,任何物質一旦掉進去似乎就再不能逃出。但是霍金以量子力學為基礎,提出在考慮到量子效應時,黑洞會像「蒸發」那樣持續穩定地向外輻射粒子。但不幸的是,對於典型的天體黑洞來説,這種輻射的温度遠遠低於周邊的宇宙環境,這就意味着僅憑人類現有科技還很難檢測到這一現象。

霍金的這一算法是令人費解的。如果黑洞持續地向外輻射粒子,那麼它就會持續地失去自身質量,直至最後蒸發殆盡。霍金意識到這其中其實存在着一個悖論:如果一個黑洞能夠因為向外輻射能量而濃縮蒸發掉,那麼其中所有的信息都將喪失。這也就意味着即使我們能夠測量從黑洞之中發出的輻射,我們也無法從中得到它最初形成時期的信息。這已經違反了量子力學中重要的信息守恆法則:物質信息不能夠被創造,也不會被喪失。

從另一個角度來看,霍金輻射通過黑洞向拉普拉斯決定論提出了質疑。拉普拉斯的宇宙決定論認為宇宙像時鐘那樣運行,某一時刻宇宙的完整信息能夠決定它在未來和過去任意時刻的狀態。一直以為科學家們根據決定論所影響的量子力學的觀點,從天文學與數學方面推演宇宙的進化過程。

宇宙決定論的被打破之後,研究者們就不得不用愛因斯坦的引力場理論來對量子力學進行調和,這是一個物理學上著名的難題,對於很多物理學家來説都是終其一生研究的終極目標。黑洞物理學為任何可能的量子引力理論提供了測試的對象。不管你的理論觀點如何,它都必須要能夠解釋那些記錄了黑洞歷史的物質信息到底發生了什麼。

科學家花費了二十年的時間,終於找出了一個解決方案。他們認為黑洞之中存儲的物質信息與其表面積成正比(二維空間),而不是像過去那樣所認為的與其體積成正比(三維空間)。這一結論通過量子引力理論是可以解釋的通的,三維空間可以被重構為沒有重力的二維世界,就像全息影像一般。該結論得出不久之後,量子引力理論中被研究最多的弦理論也證實了全息影像一般的二維世界存在的可能性。

使用全息宇宙理論的概念,我們能夠將蒸發濃縮之後的黑洞認識成一個沒有重力的二維世界,量子力學中通用的一般規則是可以對其進行解釋的。這個過程是確定的,但是也存在小小的不完美之處,那就是想要通過黑洞輻射出的能量粒子來構建黑洞形成的歷史信息是很困難的。雖然全息宇宙理論告訴我們黑洞當中的物質信息並沒有丟失,然而根據霍金提出的結論想要追蹤這些信息卻難於上青天。

毛毛球與火牆



雖然前人做出了各種嘗試想要解釋與研究黑洞,但是想要通過量子理論中對黑洞進行準確的描述卻並非易事。在 2003 年,Samir Mathur 博士提出黑洞實際上就是一個毛毛球,它並不存在特別明確的邊界。黑洞邊緣地區的量子潮汐將記錄黑洞的歷史,Mathur 的這一觀點解決了信息守恆的悖論。不過這一觀點也備受爭議,因為在這個觀點中,人如果跌入黑洞這個毛毛球之後所遭遇的事情與傳統觀點所認為的那樣被毀滅完全不一樣,而傳統的「被毀滅」的看法是能夠被愛因斯坦的廣義相對論所解釋的。

在廣義相對論所描述的黑洞當中,一旦你越過黑洞的邊界,你就會被它吸的越陷越深。當你深陷其中,空間與時間都無限彎曲,直到它們達到一種被稱為「奇點」的狀態,在此時物理定律已經不復存在(在現實當中,因為受到了強烈的潮汐力的撕扯,在這段追尋奇點的旅程一開始時你就已經死翹翹了)。

在 Mathur 所構想的宇宙中,所有的一切都逃不出這個模糊不定的邊界。目前量子引力理論堅持認為如果有人掉入黑洞當中就會觸碰到「火牆」並立即被摧毀,然而這種「火牆」的假設也一直飽受爭議(毛毛球理論就對其提出了反駁),因為火牆的存在其實也無法被廣義相對論中的黑洞所解釋。

Mathur 認為從一個局外人的角度來説,如果有人掉入了毛毛球之中,其實看上去和掉入愛因斯坦理論中的黑洞是非常相似的,雖然他們所經歷的事情大不相同。在我們看來這種火牆還是毛毛球的爭論可能僅僅只是因為他們所依賴的參數屬性不同。Mathur 描述了一種非常特別的毛毛球狀態來證明自己的觀點,這種特殊理論上的毛毛球狀態可能與用於描述真實天文學意義上的黑洞的毛毛球是完全不同的。

關於人掉入黑洞之中到底會發生什麼的爭論可能會長期地持續下去。關鍵性的問題並不是理解在人在黑洞邊緣地區將作為全息影像被重建,而是這個過程是怎麼發生的。

資料來源:TECH2IPO

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標籤: 黑洞  

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