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如果有一个很小的黑洞,如果将手指伸向它会发生什么?

2018-02-11

广义相对论认为,有质量粒子也好,光子也好,越过了视界面就再也不可能回头了。视界面是球坐标系下时空度规的坐标奇点,这个奇点是平凡的,因为视界半径处的Riemann曲率张量的各个分量是有限的,奇异性可以通过坐标变换(Eddington坐标、Kruskal坐标等)消除。对于一个落入黑洞的共动观测者,在穿过视界面时他所观察到的物理规律和在黑洞外的其他任何地方看到的物理规律是一样的。

但是,描述物理世界的理论除了经典的广义相对论以外,还有量子理论。20世纪70年代,Stephen Hawking提出,量子力学中的真空涨落若发生在视界面上,那么会有一个带负能量的虚粒子掉入黑洞,另一个携带正能量的粒子则会逃逸,这就是所谓的霍金辐射(Hawking radiation)。霍金辐射会使得黑洞的所有质量在在足够长的时间后蒸发殆尽。当然,自然界中的黑洞会不断吞噬气体和尘埃,这一点辐射完全可以忽略不计。

但是,假如我们考虑一个孤立的黑洞,那么由于黑洞发射的辐射会具有黑体辐射的特征,可以认为黑洞有“温度”这一属性——这与广义相对论所宣称的“黑洞无毛”是明显矛盾的。黑洞有温度和熵,则说明它应当具有某种离散的基本成分所组成的微观结构,这也与广义相对论所描述的黑洞的光滑结构完全不同。

此外,黑洞信息悖论和量子纠缠在黑洞中的应用问题(量子纠缠只允许一对粒子的纠缠,但是对黑洞信息悖论的解释——所谓的AdS/CFT correspondence,会得到这样的结果:一个逃逸出黑洞的霍金辐射光子不仅与原先掉入黑洞的光子纠缠,还与之前已经逃逸出的所有粒子所构成的系统纠缠,而这是不符合量子理论的)也告诉我们:在黑洞附近,广义相对论和量子理论的矛盾可以说已经不可调和。想要完全理解黑洞的行为,我们需要一套完整的量子引力理论来进行解释。

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