掉入黑洞會怎樣?被拉成"面條",還是前往另一個宇宙?丨天天科普

現在,你準備好要跳入一個黑洞。如果你能想辦法活下來(盡管這困難重重),等待著你的是什么呢?如果你想方設法地要回頭,最終你會去到哪里,又會經歷怎樣動人心弦的故事呢?  

就像理查德·馬西(Richard Massey)教授所說的那樣,所有這些問題都有一個簡單的答案:“沒人知道?!?nbsp;作為杜倫大學計算宇宙學研究所皇家學會的研究員,馬西深知宇宙充滿了未解之謎?!奥淙牒诙催吔缙鋵嵕褪强缛肓宋粗澜纭坏┑暨M去,沒人能夠發條訊息回來?!瘪R西說,“他們會被巨大的引力撕成碎片,所以我不相信有人掉進黑洞之后,還能去別的什么地方?!?nbsp; 

如果這個答案聽起來令人失望,這也是意料之中的。在愛因斯坦的廣義相對論根據時空和引力的關聯預言出黑洞之后,人們知道黑洞源自大質量恒星死亡后遺留的小而致密的核心。如果這個核心的質量超過太陽的3倍,在巨大的引力作用下它會發生坍縮,直至所有物質匯聚到一個點(也就是奇點),而這個奇點就是黑洞密度無限大的核心。  

由此產生的黑洞有著巨大的引力,甚至連光都無法逃離它。德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)提出了“事件視界”(event horizon)的概念:一旦光線或物質越過事件視界,就永遠無法逃脫了。根據馬西的解釋,接近黑洞時,你的身體會因潮汐力作用被劇烈拉伸(也被稱為“意大利面化”),最終到達奇點。至于你會出現在另外什么地方——比如黑洞另一面——的想法,看起來都只是天方夜譚。  

如果是蟲洞呢?  

多年來,科學家一直在探索,黑洞是否有可能成為通向其他星系的蟲洞。有人甚至猜測,蟲洞可以通向另一個宇宙。  

這種想法的產生已經有些時日了。早在1935年,愛因斯坦就與內森·羅森(Nathan Rosen)合作提出相關理論,認為宇宙中可能存在連接兩個不同時空的隧道。但直到20世紀80年代,這種理論才流行起來。當時,天體物理學家基普·索恩(Kip Thorne)推動了一場討論,主題就是物體是否能穿越蟲洞。  

馬西表示:“當我還是個孩子的時候,我讀了基普·索恩關于蟲洞的暢銷書,這本書讓我對物理產生了興趣?!辈贿^,現在看來蟲洞似乎并不存在。  

索恩曾是好萊塢電影《星際穿越》的科學顧問,他在自己的著作《星際穿越中的科學》一書中寫道:“我們沒能在任何天體衰老的過程觀察到蟲洞的存在?!彼鞫鞅硎?,穿越這些理論隧道的時空旅行很可能只存在于科幻小說中,根本沒有可靠證據能表明黑洞允許這樣的穿越。  

然而問題是,我們沒辦法接近并親自觀察它們。我們甚至無法拍攝黑洞內部的任何照片——既然光線無法逃脫黑洞的巨大引力,那么相機根本無法捕捉其中的影像。目前的理論表明,任何越過事件視界的物體都會成為黑洞的一部分。更重要的是,由于事件視界附近的時間也彎曲了,這一過程會變得極其緩慢,因此我們沒辦法很快得到答案。  

“我認為標準的故事答案是黑洞會通向時間的終結,” 哈佛大學天文學教授道格拉斯·芬克拜納(Douglas Finkbeiner)說,“一個遙遠的觀察者無法看到自己的宇航員朋友是如何落入黑洞的。由于引力的紅移效應,我們觀察到的接近事件視界的一切都會不斷變紅、變暗淡。但這位朋友最終會落入黑洞,去到一個超越‘永遠’的地方,無論那意味著什么?!?nbsp; 

也許黑洞能通向白洞  

誠然,如果黑洞能夠通往星系的另一端或者另一個宇宙,那么出口需要有與黑洞相反的東西。那會是白洞嗎?俄羅斯宇宙學家伊戈爾·諾維科夫(Igor Novikov)在1964年提出了白洞理論,他認為一個黑洞連接著一個存在于過去的白洞。與黑洞相反,光和物質能夠離開白洞,但是無法進入。  

科學家一直都在探索黑洞與白洞之間的潛在聯系。2014年,物理學家卡洛·羅維利(Carlo Rovelli)和哈爾·M·哈加德(Hal M. Haggard)在一項發表于《物理學評論D》上的研究中闡述道:“有一個經典度量可滿足有限時空區域之外的愛因斯坦方程,在那里物質坍縮成黑洞,然后又從白洞中出現?!?nbsp;換句話說,黑洞吞下的所有物質都可能被拋出,而黑洞死亡后有可能變成白洞。  

黑洞的坍縮并不會破壞其中的信息,相反它會經歷一次量子反彈,允許所有的信息逃逸。如果事實如此,這就能在一定程度上解釋斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)曾經提出的理論。20世紀70年代,霍金探討了由于量子漲落而導致黑洞釋放粒子和輻射的可能性。  

芬克拜納說:“霍金認為黑洞的壽命是有限的?!?976年,霍金在《物理學評論D》上發表了相關論文。根據他的計算,黑洞會因為輻射而損失能量、收縮并最終消失。因為霍金提出黑洞發射的輻射是隨機的,并且不包含任何落入其中的信息,黑洞的爆發將抹去大量信息。  

這意味著霍金的想法與量子理論相矛盾,因為量子理論認為信息是守恒的。如果信息會丟失,那信息搜索就更加艱難,過去和未來也無從知曉?;艚鸬南敕▽е铝恕昂诙葱畔U摗钡某霈F,這個悖論長期困擾著科學家。有人說霍金根本是錯的,而霍金本人甚至也在2004年都柏林的學術會議上宣稱他犯了錯,并推翻了自己原來的想法。  

所以,我們是否又回到了之前討論的概念,即黑洞吸收的信息都會通過白洞拋出?或許事實正是如此。在2013年發表于《物理學評論快報》的一篇論文中,美國路易斯安娜州立大學的若熱·普林(Jorge Pullin)和烏拉圭共和國大學的魯道夫·甘賓(Rodolfo Gambin)基于圈量子引力理論(loop quantum gravity)對黑洞進行了研究,他們發現越接近中心引力越大,但穿過中心后引力變弱,任何落入黑洞的事物都會在宇宙的另一端被拋出。這項研究支持了黑洞只是個入口的假說。在這項研究中,奇點不存在,所以落入黑洞的事物不會因為撞上奇點而毀滅。這也意味著,信息不會消失。  

也許黑洞不通往任何地方  

但是物理學家艾哈邁德·阿爾姆海里(Ahmed Almheiri)、唐納德·馬洛夫(Donald Marolf)、約瑟夫·波欽斯基(Joseph Polchinski)和詹姆斯·蘇利(James Sully)仍然相信,基于霍金的理論可以有進一步的發現。這4位科學家提出了AMPS火墻(或稱黑洞火墻)理論。根據他們的計算,量子力學可以將事件視界變成一堵巨大的火墻,任何接觸到它的東西都會立刻燃燒殆盡。從這個意義上講,黑洞不通往任何地方,因為甚至沒有東西可以進入黑洞。  

然而,這一理論與愛因斯坦的廣義相對論相悖。根據相對論中的等價原理(equivalence principle),穿過事件視界的物體(或人)不會受到極端引力的影響,可以輕松落入黑洞?;饓碚摽赡茏裱四壳坝钪嬷泻诙匆酝鈪^域的物理學定律,但即便不違背相對論,它也破壞了量子場論,并暗示信息是可以丟失的。  

黑洞充滿了不確定性  

讓我們的話題再次轉向霍金。在2014年發表的研究中,霍金回避了“事件視界”這一說法,而是提出引力坍縮會產生“表觀視界”(apparent horizon),這意味著沒有任何東西會因視界而燃燒。  

表觀視界會阻止光線離開黑洞中心,并持續“一段時間”。在霍金的新理論中,表觀視界只是暫時困住物質和能量,但最終,表觀視界會消失,并釋放物質、能量。這一解釋支持了認為信息不會消失的量子理論,如果能得到證明,這就意味著任何事物都可以從黑洞中逃脫。  

霍金甚至更進一步,認為黑洞或許并不存在。他寫道:“黑洞的中心不存在奇點,黑洞應該被重新定義為引力場的亞穩定束縛態?!庇捎谝ψ饔?,表觀視界內的物質會逐漸向內移動,但永遠不會坍縮到中心。  

然而,任何被釋放出來的信息都不再是它們被吞噬前的樣子。我們無法通過被釋放的信息還原它們進入時的狀態,這也會引起問題——尤其是當人們發現自己正置身于這樣一個令人驚慌的處境之中。他們再也沒法跟以前一樣了!  

可以肯定的是,這個奇妙的謎團還會困擾科學家很久。羅維利和弗朗西絲卡·維多托(Francesca Vidotto)最近提出,暗物質的成分之一可能是黑洞蒸發后的殘留物。2018年,霍金的一篇關于黑洞和“軟毛”(soft hair)的論文被發布?!败浢笔呛诙词录暯缟系墓庾?,它們會儲存落入黑洞的物質的信息。但由于事件視界的存在,這些信息從外部看來好像全部消失了。  

這與物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒(John Archibald Wheeler)提出的無毛定理(no-hair theorem)截然不同。無毛定理的基礎是觀察者無法區分兩個不同的黑洞,因為黑洞的性質僅由質量、角動量和電荷這3個物理量確定,而其他信息(毛發)全部消失了。這個理論已經引起了科學家的討論,但是距離解答“黑洞通往何處”的問題,還有很長的路要走。  

責編:朱曦東

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