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美最新研究表明黑洞根本不存在

2014.09.29

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这张图片描绘了星系中心一个超大质量的黑洞。这里的蓝色部分代表黑洞附近辐射出的物质。围绕黑洞的灰色结构,叫做环面,是由气体和尘埃组成的。图片来源:国家航空航天局\加州理工学院

中国科技网9月25日报道(张微)从《星际迷航》到好莱坞,黑洞一直以来都吸引着人们的眼球,是流行文化的一个重要话题。直到现在对他们的了解还不够深入——他们是宇宙中超高密度天体,而且完全不反射光线。对于这个有争议的研究,现在又提出了新的观点——黑洞根本不存在。

综合考量两个看似矛盾的理论——引力理论和量子力学理论,北卡罗莱纳大学艺术与科学学院的物理学教授劳拉莫思妮-霍顿已经证明,从数学的角度而言,黑洞不可能在第一时间形成。这个研究成果不仅使科学家重新思考时空的结构,也要重新思考宇宙的起源。

“我并没有特别惊讶。”莫思妮-霍顿说,“对于这个问题我已经研究了50多年,这个结果给了我很多的思考。”

几十年来,黑洞被认为是由一个巨大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而“死亡”后,发生引力坍缩形成的。黑洞的体积十分微小,只是太空中的一个点——就像地球被压缩成像花生米大小的一个球体——被称为奇点。围绕着这个奇点的是一个无法侦测到的事物视界,又称黑洞视界,它产生的引力场极为强劲,以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的视界(临界点)内,便再无力逃脱。也就是说黑洞外的物质和辐射可以通过视界进入黑洞内部,而黑洞内的任何物质和辐射均不能穿出视界。

黑洞如此匪夷所思的原因是它使两个关于宇宙的基本理论相互矛盾。爱因斯坦的引力理论预言了黑洞的形成,但量子理论的一个基本定理指出,没有来自宇宙的信息会永远消失。如果将这两种理论相结合就导致数学毫无意义,后来被称为信息丢失悖论。

1974年,史蒂芬·霍金用量子力学理论证明,黑洞会发出辐射。从那以后,科学家们在宇宙中发现了与这种辐射相符合的一些蛛丝马迹,证实了不断增加的一系列宇宙黑洞的存在。

但现在莫思妮-霍顿给我们描述了一个全新的情景。她和霍金都同意,恒星发生引力坍缩,但黑洞并不能吞噬如此多的物质,黑洞也会释放一部分物质,即会产生霍金辐射。但是,在她的最新研究成果中,莫思妮-霍顿表示,通过释放辐射物质,恒星质量变小。正因如此,当它收缩后不可能形成具有超高密度的黑洞。

一个黑洞能够形成之前,是“垂死”的恒星最后一次膨胀然后爆炸消失。这个结果导致不会形成奇点,也不会形成视界。她的研究成果显而易见:没有所谓的黑洞。

莫思妮-霍顿与多伦多大学的数值相对论专家哈拉尔德佩弗进行合作研究,最近提交给ArXiv(一个物理学在线资源论文库)的论文中,对这个问题提供了精确的数学解决方法。6月份,莫思妮-霍顿发表在物理快报B期刊上的论文,提供了近似的解决方法。

也许有一天实验数据会提供宇宙中是否存在黑洞的物理证据。但现在,莫思妮-霍顿说,数学模型的研究方法方法是结论性的。

许多物理学家和天文学家认为,我们的宇宙起源于一个奇点的大爆炸。如果奇点不存在,那么物理学家们就学要重新考虑宇宙大爆炸是否曾经发生过。

“几十年来,物理学家们一直试图将爱因斯坦的引力理论和量子力学理论统一起来,但这种情况下,如何将这两种理论合并统一。”莫思妮-霍顿说,“这是一个大问题。”

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