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你跌入黑洞,会发生什么?

2016.02.22

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2001 A Space Odyssey The New World Orchestra - Fantasy Themes

利维坦按:这是一篇充满奇趣的科普文章,作者假想了两个人,一个“我”掉入了黑洞,一个安妮在黑洞之外。从“我”看自己的视角和从安妮看“我”的视角,究竟会有什么不同?


说到黑洞信息佯谬,去年霍金又提出一个假说,他认为,黑洞实际上无法吞噬和消灭物理讯息,就算掉入黑洞,也是可以出来的。只不过,你无法回到我们的宇宙(从本宇宙永远消失了)……



文/Amanda Gefter

译/cactusxj(已授权)

校对/DANZIG

原文/www.bbc.com/earth/story/20150525-a-black-hole-would-clone-you


引力透镜模拟的黑洞,可看出在星系背景扭曲的图像


这种情况可能会发生在任何人身上。或许你正在努力的搜寻适合人类居住的新星球,或许你正在行走中跌倒了。不管是什么情况下,某一刻我们会发现自己正面临一个古老的疑问:如果我们掉入黑洞中,会发生什么事情?


我们猜想可能会马上被压碎,或被撕成碎片,但事实比这个更为离奇。


当你进入黑洞时,事实会分为两类。其中一类,你会被立刻焚烧殆尽,另一类,你会毫发无损地直接跳进黑洞里。


重物质会扭曲空间本身的维度(图由Julian Baum/SPL提供)


在黑洞里,我们所知的物理定律土崩瓦解。爱因斯坦曾说道,重量会扭曲空间并让它弯曲变形,所以只要物质的密度足够大,时空就可能扭曲到直接卷曲起来,形成一个可穿透事实维度的洞。


当一个巨型恒星缺少能源时,它可以制造出极高密度的物质,并产生类似的撕裂空间。当恒星重量极大,它会弯曲变形并向内部坍塌,而它周围的时空也会随之扭曲。引力场变得极其大,甚至连光也无法逃离,而本来恒星所在的区域只剩下一片漆黑:一个黑洞出现了。


最外层边缘是黑洞的视界,这个界限内引力场可以阻止光的脱逃,只要越过这个界限,任何物质都无法离开。


黑洞视界会因为能量而发光,量子影响了黑洞边缘,制造出大量的热粒子流喷发到宇宙中。这种现象是由物理学家斯蒂芬·霍金预测出来的,故而被称为霍金辐射。只要给予足够长的时间,黑洞就会把它的物质喷射出去并消失不见。


如果你进入黑洞内部时,空间会扭曲更厉害,直到它的内部无限扭曲,这就是黑洞的奇点。这里时间和空间不再有意义,而我们现在所能了解的,需要时间和空间来解释的物理定律将不再适用。


这里会发生什么事,现在还未有人能解释。通往另外一个宇宙?一片空白?还是一个书架的背面?这依然是个未解之谜。


在黑泂内部,空间会无限扭曲(图片由Henning Dalhoff/SPL提供)


那么,如果你不小心掉进了这种宇宙变异空间里会发生什么事情?我们先来问问你的宇宙小伙伴——我们姑且称她为安妮——她正在外部的安全范围内惊恐的看着你掉进了黑洞里,当她正在摇摆不定时,眼前的景象却越来越诡异。


你加速冲向视界线过程中,安妮观察到你的身体开始拉伸扭曲,就像是透过一个巨大的放大镜着着你。更重要的是,你越是靠近视界,看起来移动得越慢。


你不能朝她呼救,因为太空里是没有空气的,但可以尝试用iPhone上带的闪光灯来向她发送摩斯密码(上面是有类似的App)。不过,信息要到达她那里需要花费更多时间,因为光波和红移被拉伸得越来越慢:“我还好,我-还-好,我——还——好……”


当接近视界时,安妮看到的你像是被人按下暂定键,定格不动了。你的身体还是静止的停留在那里,拉伸后穿过视界表面,就像逐渐升高的高温吞噬着你。

据安妮所述,拉伸的空间、停止的时间和霍金辐射的火焰慢慢摧毁了你的身体。在你能进入到黑洞内部之前,就已经成了一堆灰烬。


但是,在我们计划你的葬礼前,先别管安妮如何,我们来看看从你的视角来观察这种可怕的情景又是怎么一种光景。现在,有一种更奇怪的事情发生了:什么也没有发生。



黑洞的边界看起来有可能像一个闪耀的大火球(图纸由Equinox Graphics/SPL提供)


你直接飞向宇宙中最不祥的目的地,途中无风无浪十分顺利,更没有遇到拉伸、减速或灼热的宇宙辐射。而且因为你正在自由下落,更感觉不到重力:爱因斯坦称这种情况为“幸运的假想”。


不管如何,黑洞视界不像是宇宙中漂浮着的石墙,它只是一个视觉加工品。在黑洞外面的人无法看到它的内部情况,但这不是你的问题。就你担心的情况而言,这里是没有边界的。


诚然,如果黑洞太小对于你来说可能是个大问题。因为脚部的重力是要比头部大得多,重力会把你拉伸得像一条意大利面。但你很幸运的遇到了一个大黑洞,比我们的太阳还要大上百万倍,所以当初把你抻成面条状的重力在这里可以忽略不计。


事实上,在一个重量够大的黑洞里,你很有可能正常的活着度过余生,直到在奇点(注:又称引力奇点,是一个体积无限小、密度无限大、引力无限大、时空曲率无限大的点。在这个点,目前所知的物理定律停止适用)里死亡。



黑洞视界并不是个固体屏障(图片由Richard Kail/SPL提供)


然后你会疑惑,我都已经被不情不愿的吸进了一个撕裂的时空连续介质里,还没办法找到回头路,这样究竟能有多正常?


对于这种情况,我们都能理解这种感觉,不是靠我们的经验,而是根据时间的性质。时间只会向前,不会退后,它会无视我们的意愿拉着我们前进,并阻止我们转身返回。


这不仅仅是一种类比,黑洞扭曲空间和时间到极致,实际上在黑洞视界内部,空间和时间已经交换了角色。某种意义上,拉你冲向奇点的是时间。就像你不能返回到过去的时间里,你也不能在黑洞里转身并逃离。


这里,你可能希望能停下来并问一个十分紧迫的问题:那安妮究竟搞错了什么?如果你在黑洞里发现自己处在一片空白的宇宙,简直要吓破胆了,那为什么她还坚持你已经被视界外的辐射烧成灰了?是她产生了幻觉吗?



黑洞视界喷出“霍金辐射”(图片由Richard Kail/SPL提供)


实际上,安妮的描述也是有理由的。由她看来,你的确是在视界上被烧成灰了,这不是幻觉。她甚至可以收集你的灰烬带回给你的至亲。


事实上,自然法则中要求你要保持在黑洞外,即在安妮的视角去观察。因为量子物理学要求信息不能会丢失。你存在的每一份信息都需要保留在视界外,以免安妮的物理法则会被破坏掉。




另一方面,物理法则也要求你飞往视界时不能接触到热分子或其他正常范围外的物质。否则,你会违反了爱因斯坦的幸运假想和他的广义相对论。


所以物理法则要求你既是在黑洞外的一堆灰烬,又是黑洞内活蹦乱跳的生物。最后但同样重要的是,还有一个物理第三定律要求信息不能克隆。所以你需要同时出现在两个地方,而你只有一个备份。


莫名其妙地,物理法则把我们导向了一个看起来十分滑稽的结论。物理学家们把这种让人烦燥的难题称为黑洞信息佯谬(the black hole information paradox)。幸运的是,在上世纪90年代他们发现了一种解决方法。


当你掉进黑洞后,就无法再出来(图片提供:Science Photo Library)


美国理论物理学家,斯坦福大学教授伦纳德·萨斯坎德发现这种悖论是不存在的,因为没有人会看到你的克隆。安妮只是看到其中一个你。你只是看到另外一个你。你和安妮无法再对比手头的信息。而且这里没有第三者可以同时看到内部和外部的情况。所以,这没有破坏物理法则。


除非,你想知道这里哪个才是真实的情况。你究竟是死了还是活着?


黑洞透露给我们的最大秘密是这里没有所谓的真实。真实是根据你向谁提出了疑问。这里有你的真实,也有安妮的真实。故事到此结束。


好吧,只能说几乎结束了。在2012年夏天,艾哈迈德·艾勒穆海里、唐纳德·马洛尔夫、约瑟夫·波尔金斯基和詹姆斯·萨利,这四位被统称为AMPS的物理学家设计了一组思维实验,极有可能颠覆我们现在对黑洞的所有认知。



没有人知道黑洞内部究竟是什么样的(图片由Henning Dalhoff/SPL提供)


他们发现,萨斯坎德的方法关键在于,某个事实里视界是否有从中调和你和安妮间的歧义。不管安妮是否有看到你被霍金辐射撕碎的可怕景象,因为视界阻止她看见你飘进黑洞内部的情景。


而如果有其他方法让她能不通过视界而看到另外一边发生的事情,这又会怎么样呢?


广义相对论可能会说这不可能,但量子力学中这种规则会变得十分模糊不清。安妮可能通过某个被爱因斯坦戏称为“鬼魅般的超距作用”的小技巧来偷看了一眼视界后面的情景。


在宇宙中分开的两组分子意外的“纠缠到一起”时,就会发生这种情况。他们是单体、不可分割整体的一部分,所以用来描述它们的信息不可能在分开的分子中发现,但可以在它们间鬼魅般的连接上发现。


距离很远的分子会诡异的“纠缠”在一起(图片由Victor de Schwanberg/SPL提供)


AMPS提供了类似的构想。假如安妮得到了接近视界的一点信息,我们把它称为A。


如果她的故事是对的,那你已经死了,被黑洞外的霍金辐射雷成一团焦,那么A肯定是和另外一点信息B纠缠在一起,而B就是这股热辣辣的辐射的一部分。


另外一方面,如果你的故事是正确的,而你在视界的另外一面中活得好好的,那么A肯定是和另外一点不同的信息C纠缠到一块,而C就是黑洞的内部。


这里我们又有一个谬论:每一点信息只能纠缠一次,那么A就只能和B或C纠缠,而不能同时纠缠两个。


黑洞让物质脱离附近恒星本体(图片由NASA/CXC/M.Weiss提供)


所以安妮拿着她的A点,把它放到手中的纠缠解码器里,然后分离出其中一个答案:B或C。


如果答案是C,那便是你的胜利,但这样会打破量子力学定律。如果A在黑洞内部和C纠缠,那安妮就永远丢失了这部分信息。这会打破量子定律,因为信息是不可能丢失的。


那还剩下B。如果安妮的解码器中发现A是和B纠缠,那安妮获胜,而广义相对论则输了。如果A是和B纠缠,那安妮的故事则是最真实的,那意味着你会被烧成渣。本来应该如相对论所说的那样,你可以直接飞到视界里,但你撞到火墙上了。


所以现在我们又回到了原点:如果你掉进黑洞里,究竟会发生什么事情?托一个奇怪的旁观者所视事实的福,你会直接滑进黑洞里活得好好的?还是你在接近黑洞视界时只会撞上致命的火墙?



黑洞会扭曲经过它的光线,形成“透镜”效果(图片由Ute Kraus,CC提供)


没有人知道最终的答案,而它也成为基础物理学中最具争议性的话题。


物理学家们花了超过一个世纪试图把广义相对论和量子力学调和到一起,即使他们知道最终只能放弃其中一方。 只要解决了火墙悖论,我们就应该会知道是哪一方,而且也会发现其他宇宙更深奥的原理。


我们可以在安妮的解码器中发现其中一个线索。要确定A是和哪一点信息纠缠是个非常复杂的课题。所以新泽西洲普林斯顿大学的物理学家丹尼尔·哈罗,和加利福尼亚洲斯坦福大学的帕特里克·海登提出了疑问,想了解这个过程需要多久。


在2013年,他们预测,就算是使用符合现在物理定律的最快计算机,安妮也要花上非常长的时间去解码这种纠缠。等到她终于得到结果,可能黑洞早已经和它的致命火墙一起蒸发并消失在茫茫宇宙中。



半人马座A有一个黑洞(图片由 ESO/WFI/MPIfR/APEX/A. Weiss/NASA/CXC/CfA/R. Kraft提供)


如果那样的话,问题的复杂性很可能让安妮望而却步,根本没办法确定哪个故事是真实的。这样,两个故事可能同时都是真实的,有趣的旁观者视角的事实,所有物理定律完好无损,也没有人有撞进火墙的风险。


而我们的物理学家也有一些新问题需要考虑:复杂的计算(例如安妮做不到的那类)和时空之间的奇妙连接,它可以为我们打开通往深层理论的大门。


这些就是黑洞的奥妙之处。它们不只是太空旅行者眼中的扰人障碍,它们还是理论实验室,把最微妙的怪事带入到物理定律中,并扩大它们的占比,直到让所有人都无法忽视其存在。


如果这种真实的本质存在于宇宙的某个角落,那最可能发现的地方肯定是黑洞。最好还是从外部观察它,除非他们弄清楚了火墙是怎么一回事。或送安妮进去,也该是轮到她去探险的时候了。

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