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霍金预言:黑洞不存在

2015-10-30

霍金再次“语出惊人”,他宣称“黑洞不存在”。霍金就是靠研究黑洞而在学术界出名的,这么一说不是打自己脸吗?
霍金宣称“黑洞不存在”这句话是来自他的最新论文。其实,霍金并不是说黑洞真的不存在。事实上,天文学家经过几十年的观测,找到了很多有利的证据证明黑洞的确存在。那么霍金想说的究竟是什么意思呢?

黑洞不存在


斯蒂芬·霍金是当代最著名的理论物理学家,虽然他瘫痪在轮椅上,但是他对黑洞和宇宙学的研究做出了很多重要的贡献,而且他的科普著作《时间简史》享誉全球。霍金经常“语出惊人”,比如他曾说过,尝试与外星人交流是非常危险的,因为外星人对待人类的态度,很有可能会像当初欧洲人对待美洲原住居民一样残酷。
原来霍金的论文想解决关于黑洞的两个悖论。这两个悖论的根源在于广义相对论和量子力学之间有着内在的冲突,所以这俩悖论很棘手,令许多物理学家头疼。要想了解霍金所说的话的真正含义,我们得先了解黑洞的两个悖论。


黑洞会“毁尸灭迹”?


首先,我们先介绍一下什么是黑洞。黑洞是爱因斯坦广义相对论的最著名的预测之一。在爱因斯坦描述的弯曲的时空里,有一种天体,它的引力会如此之强,气体、尘埃、恒星、行星和星系,甚至包括光一旦掉进它的边界里,这些物质就永远无法从中越过边界逃逸出去了,这种可怕的天体就是黑洞。其中,物理学家把黑洞那有去无回的边界称为“事件视界”。所以说,黑洞是名副其实的“黑洞”,它会吞噬一切并且不再吐出来。
另外,根据20世纪中期建立起来的量子力学,许多物理学家相信,那些掉进黑洞的物质所携带的信息不会被毁灭,应该在某些地方得以保留。例如,一个黑洞可以把一本书吞噬掉,并把书分解为各种粒子。但是只要这些粒子还存在,那么理论上还可以使用这些粒子重新组建成原来的那本书,尽管其难度巨大。也就是说任何事物——包括黑洞——都休想毁尸灭迹。
然而,在20世纪70年代霍金对黑洞的研究成果,改变了过去的观念。他指出的是,黑洞会向外辐射并损失质量,最终会蒸发得一干二净。广义相对论认为黑洞的所有性质,包括辐射出来的粒子,都与掉进它内部的物质无关,所以说辐射不携带任何与它内部物质有关的信息。当黑洞蒸发殆尽之后,黑洞里的任何信息也就永远消失了。黑洞可以把吃进去的东西毁尸灭迹,而这却与量子力学描述的“信息不会被毁灭”的观点相矛盾。这个问题被称为黑洞的“信息悖论”。
这个悖论还没得到解决,另一关于黑洞的悖论又出现了。这个新的悖论是在2012年发现的,叫做“火墙悖论”。按照量子力学理论,如果黑洞辐射携带信息的话,物理学家认为,黑洞的事件边界会形成一个剧烈的高能量区域,或者可以称之为黑洞的“防火墙”。如果一名宇航员掉进黑洞的话,那么他会直接撞到“防火墙”上,烧成灰烬。
这个就产生了问题,黑洞“防火墙”的存在很符合量子力学,但却与广义相对论相矛盾。根据广义相对论,这名宇航员掉进黑洞的过程中,他不会感受到任何异常,因为时空是连续的,事件边界与周围没有任何不同之处,他甚至不会察觉自己何时经过了事件视界,进入了黑洞。
所以,黑洞的存在使得一些科学理论突然变得不合理起来了。虽然现在已经有许多理论声称解决了这些悖论,但是没有一个在物理学界得到了广泛的认同。


黑洞“名不副实”


“信息悖论”和“火墙悖论”令许多物理学家大为恼火,而霍金最近所写的论文就是要解决这两个悖论的。
霍金所要表达的意思是,黑洞不管之前吃了什么东西,最终都会吐出来。霍金认为,把量子效应考虑进去就会发现,黑洞并不存在那个有去无回的事件视界,不过黑洞还会存在一种边界,霍金把它称为“表观视界”。试图从黑洞中逃逸的光子抵达表观视界时会停留在这里,等待时机逃跑。
但由于表观视界并不会始终存在下去,在某种特定的情况下,表观视界会消失掉,这样黑洞内部的任何物质都可以以辐射的形式直接从黑洞内部逃逸出来,包括所携带的信息都将会被释放出去。霍金并没有指明什么情况下表观视界会消失,也许是我们尚未了解的某些量子引力的相关效应导致的。
这样一来,量子力学和广义相对论仍然能保持各自的正确性,而且黑洞的存在也不会产生“信息悖论”和“火墙悖论”。虽然信息并没有被毁灭,但是由于量子力学的不确定性,被黑洞释放出的信息可能早已被搅乱得无法辨认了,尽管理论上是可以通过分析释放出的信息,去了解之前是什么样的物质掉进了黑洞,但实际上很难再做到这一点。霍金把这种困难程度描述为像超长期的天气预报一样难:理论上可行,但实际上很难做到。所以霍金把论文的题目称为《黑洞的信息保留与天气预报》。
如果霍金的理论是正确的话,那么任何物体都可以从黑洞中逃逸,所以用“黑洞”描述这种引力巨大的时空区域就不恰当了,因为当初之所以用“黑洞”来命名,就是强调没有任何东西可以从这个区域内逃逸。所以,霍金在论文中说,“事件视界的缺失意味着黑洞——一种能使光永远无法逃离其中的事物——其实并不存在。”
那么霍金的这个观点是正确的吗?许多人表示霍金很有可能是对的,因为黑洞其实是高度量子化的时空区域,本来这里时空的概念就有一些模糊不清,更别说会有一个严格的边界了。但是,霍金的论文很短,正文只有两页,而且没有任何数学公式,所以你没有办法去验证霍金的观点是否正确。因此,有些科学家认为,用这种表观视界替代事件视界的做法去解决悖论的方法,本身就比悖论更加令人困惑。有些科学家认为,霍金的这个方法好像并不能解决“火墙悖论”,因为只要有任何类型的边界存在,不管它存在多长时间,都不可避免地会在上面形成一道“防火墙”。
不过霍金也表示,要真正解决这些悖论,我们所需要的就是一种能把广义相对论与量子力学完美结合起来的全新理论。但这个理论目前并不存在,所以对这些悖论的解决还需要很长的路要走。
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