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霍金的理论太难懂?
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世界的基本组成部分是什么?时间和空间真的存在吗?现实的本质是什么?意大利理论物理学家卡洛·罗韦利的科普畅销书《七堂极简物理课》,讲述了黑洞物理学以及霍金的贡献。

旅行到过去很难,旅行到未来很容易

在霍金的理论中,我们的宇宙中存在大量的黑洞。当一颗恒星燃尽了所有可用氢,就会坍缩,形成黑洞。宇宙里存在许多和我们的太阳一样大的黑洞,但也有更巨大的黑洞。在黑洞的区域,空间极度弯曲,最终向自身内部坍缩,时间停止。

位于我们星系中心的黑洞目前正在被仔细研究,其质量可能比我们的太阳大一百万倍。有时一颗恒星离这个庞然大物太近,就会被引力扭曲而粉碎和被吞没,就像一条小鱼被鲸吞没。一百万个太阳那么大的庞然大物,在一瞬间可以吞没我们的太阳和环绕它的微小行星。

进入黑洞的东西无法再出来,至少如果我们忽略量子理论的话会如此。黑洞的表面就像是现在:只能从一个方向穿过,无法从未来返回。对黑洞而言,过去在外面,未来在里面。从外面看来,黑洞就像个球体,可以进去,但没有东西可以从里面出来。

一艘火箭可以停留在离这个球体固定距离的地方,这个距离被称作黑洞的“视界”。要做到这一点需要让火箭的发动机不停地剧烈燃烧,抵消黑洞的万有引力。黑洞的巨大引力意味着对火箭而言时间会变慢。

从理论上讲,如果火箭在离视界足够近的地方停留一小时,然后飞走,它会发现外面在此期间已经过了几个世纪。火箭离视界越近,时间相对于外面走得越慢。因此,旅行到过去很困难,但旅行到未来很容易:我们只需要在太空飞船上靠近黑洞,在附近停留一会儿,然后飞走。在视界处,时间停止:如果我们极其靠近,然后按我们的时间来算几分钟后飞走,宇宙的其他部分也许已经过去了一百万年。

宇宙早期形成的黑洞,可能今天正在爆炸

科学家“观测”到的黑洞可以用爱因斯坦方程很好地描述,理解它们不需要量子力学。但是有个黑洞之谜确实需要量子力学来解释。

恒星一旦坍缩,就会从外部视野中消失:它就在黑洞内部了。但在黑洞内部会发生什么呢?如果你让自己坠入黑洞,会看到什么呢?

最初没什么特别的:你会穿过黑洞表面,不会受到太大伤害——然后你会以更大的速度垂直坠向中心。然后呢?广义相对论预言,一切都会在中心被挤压成一个体积无穷小、密度无穷大的点。

如果我们考虑量子引力,这个预言就不正确了,因为存在量子斥力,使宇宙在大爆炸时反弹同样的斥力。我们预期的是,在靠近中心的过程中,坠入的物质的速度会被这种量子压力减慢,密度会非常大但有限。物质会被压缩,但不会一直压缩成一个无穷小的点,因为物质的大小存在一个下限。量子引力产生了一个巨大的压力,使物质反弹,就像坍缩的宇宙可以反弹为膨胀的宇宙一样。

如果从那儿观察的话,坍缩恒星的反弹可以非常快。但是内部时间流逝得比外面要慢得多。从外面看,反弹的过程可以耗费数十亿年。漫长的时间过后,我们会看到黑洞爆炸。基本上这就是黑洞最终的样子:通向遥远未来的捷径。

因此,量子引力也许预示着黑洞并不是永远稳定的物体,正如传统的广义相对论预言的那样。从根本上来说它们是不稳定的。这些黑洞爆炸如果被发现,对理论而言是非常惊人的证据。非常古老的黑洞,比如宇宙早期形成的那些,可能今天正在爆炸。

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catalogs:116441;contentid:46196;publishdate:2018-03-27;author:王焕君;

来源: 长江日报

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来自:13993456466  > 科学技术
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