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落入黑洞, 无法定论的命运 [一点资讯]

2017-04-30

你有没有偶尔出现过这样的念头:如果你掉进一个黑洞会发生什么?

你可能会认为自己大概会被压碎,或者撕成碎片。但现实可能比你设想的更加诡异。在你落入黑洞的一瞬间,现实将会被一分为二。在其中一种场景中,你将瞬间化为灰烬,而在另一种场景下,你几乎毫发无损,并且这两种情形可能都是真实的。

大质量的天体使时空扭曲,图片来源:Julian Baum/SPL

黑洞是宇宙中最奇异的地方之一,在这里我们所熟知的物理定律不再有效。爱因斯坦指出,黑洞的引力会扭曲时空,造成时空本身发生弯曲。因此如果有一个密度足够高的物体, 时空将发生严重扭曲,以至于在这个物体周围的现实时空之中形成一个类似凹陷的区域,这就是黑洞。

当一颗大质量恒星在核聚变反应的燃料耗尽之后发生引力塌缩,这一过程将 足以产生这样奇异的超级致密天体。当超大质量恒星的死亡核心在自身质量作用下不断收缩,它周围的时空随之扭曲。它的引力开始变得如此之强,以至于光线也无法逃脱:在这颗恒星原先所在的位置上,一个新的黑洞出现了。

As you go deeper into the black hole, space becomes ever more curvy

黑洞最外层的是它的事件视界(简称视界),也就是光线恰好开始无法逃离的引力范围边界。在这一区域之外,光线还可以逃离,而一旦越过这一边界,任何逃离的努力都将是徒劳的。

视界蕴含着巨大的能量。此处的量子效应会产生强大的高温粒子流并向外辐射,这就是所谓的“霍金辐射”。这是以英国著名天体物理学家霍金教授的名字命名的,因为是他最先预言了这种辐射效应的存在。只要给予足够的时间,这种霍金辐射将最终耗尽黑洞的所有质量并导致黑洞的最终消亡。

随着你逐渐深入黑洞,时空变得更加扭曲,直到抵达黑洞的核心——在这里,时空的扭曲达到无限程度,这就是“奇点”。在这里空间和时间不再有意义,我们所熟知的,基于时间与空间概念的物理学定律也将全部失效。

那么在这里究竟将发生什么?另一个宇宙?混沌?或是通往小时候书架的后面?没有人知道答案。

在黑洞中,空间达到无限扭曲。图片来源:Henning Dalhoff/SPL

那么如果有一天你真的不幸落入其中一个黑洞之中,将会发生什么?首先我们假想你拥有一个名叫“安妮”(Anne)的同伴。你正朝着黑洞落去,而她仍然处于安全的距离外惊恐万分地观察着眼前的景象。从此刻开始,她将目睹一系列奇异现象。

随着你朝着黑洞的视界不断加速下落。安妮将会看到你的身体逐渐被拉长并扭曲,就好像是她透过一个放大镜在观察。并且随着你越来越接近视界,她会发现你的移动速度似乎变得越来越慢,就像在看慢动作镜头。

Before you ever cross over into the black hole's darkness, you're reduced to ash

你没有办法向她呼喊,因为空间里没有空气,但你想到用自己的iphone手机,利用闪光的方式向安妮发送一段摩尔斯电码(真的有一个这样的app)。然而你发出的信号向外传递的速度同样非常缓慢,光线的波长已经在强大的引力场中被严重拉伸,频率变得很低:“我很好。。。我 很 好。。。 我。。。。。。。很。。。。。。。好。。。”

当你最终抵达视界,安妮会发生你静止了,仿佛某人按下了暂停按钮。她会看到你还在那里,一动不动,拉伸的身体在开始被烈焰吞噬。

在安妮看来,你已经因为空间的拉伸,时间的静止和霍金辐射产生的高热,在甚至还未进入无穷黑暗的黑洞里的时候就已经化为灰烬了。

然而,在我们为你准备葬礼之前,先让我们忘掉安妮的报告,转而从你自己的视角来看一看这段时间里你究竟经历了什么?好吧,现在更加诡异的事情出现了:你觉得什么事都没有发生。

黑洞的边界或许是一堵炽热“火墙”,图片来源:Equinox Graphics/SPL

当你像自然界中最不吉利的地点航行时,你将感受不到拉伸,减速或是可怕的辐射。这是因为你正处于自由落体状态下,因此你感受不到重力的存在——爱因斯坦将这称之为自己“最令人愉悦的想法”。

In a big enough black hole, you could live out the rest of your life pretty normally

毕竟,视界并不是一堵砖墙,而只是一种空间上的无形边界。一名位于外部的观测者无法目睹视界内的事件,但这对于你而言不是问题——对你而言,这里并不存在什么边界。

当然,如果你正落入的是一个较小型的黑洞,那么你的确会有大问题。你将感受到强大的引力作用:你的腿部感受到的引力要比头部强大的多,你将会像一根意大利面 条那样被拉长。但幸运的是你现在落入的是一个大型黑洞,其质量是太阳的数百万倍,在这种情况下,那种会将人撕碎的引力差将变得非常小,几乎可以忽略。

事实上,在一个足够大的黑洞中你可以正常的度过余生,直到最终落到黑洞中央的奇点上迎来死亡。

视界并不是一个坚固的屏障,图片来源:Richar Kail/SPL

“正常”——有多正常?你可能会有这样的疑问,因为此时的你正坠入时空连续体中的裂隙,完全不受自己意志控制被拉伸,没有办法回头。

You can't turn around and escape the black hole

从某种角度来看,如果你试想一下这个场景,我们是能够体会你的感受的——不是从空间上,而是从时间上的经验。时间之河永恒地向前流淌,从不向后,不以我们的意志为转移,阻止我们回头。

这并不仅仅是一个比方。黑洞将空间和时间扭曲到了一个极端的程度,以至于在黑洞内部,时间和空间已经互换了角色。从某种意义上说,是时间将你推向最后的奇点。你无法回头逃离黑洞,一如我们无法回头,回到过去。

到了这一步,你大概会停下来并仔细地想:等一下,那个安妮到底是怎么回事?明明我什么都没发生,周围什么都没有,只有空旷的空间,为什么她一口咬定亲眼看到我在事件边界外就已经被烧成灰了?难道她产生幻觉了吗?

从视界辐射出的“霍金辐射”,图片来源:Richard Kail/SPL

事实是,安妮并没有产生幻觉。从她的视角看,你的确是在视界附近就被烧成灰烬了。这不是幻觉。如果可以的话,她甚至还可以收集你的骨灰并带回地球给爱你的人。

实际上,自然界的定律要求从安妮的视角观察,你必须永远都无法进入到黑洞的内部。这是因为量子物理学原理要求信息不可丢失——任何描述你的存在的信息必须留在黑洞外部,否则安妮所在空间的物理学定律将会崩溃。

You have to be in two places, but there can only be one copy of you

而在另一方面,物理学定律也要求你必须能够穿越视界,而不会遭遇到超热粒子流或其他任何异常的东西。否则你将违背爱因斯坦的那个“最令人愉悦的想法”和广义相对论原理。

因此,简单来说,物理学定律要求你同时存在两种状态——在黑洞外成为一堆灰烬,以及在黑洞内,完好地活着。然而还有第三项物理学定律,它指出信息是不允许被克隆的——你必须同时存在于两个地点,但同时你只能有一个。

不知怎的,物理学定律将我们带向了一个似乎违背常识的结论。物理学家们将这一矛盾性结论称为“黑洞信息悖论”。幸运的是,在1990年代,他们终于找到了一种调和这对矛盾的方法。

一旦进入黑洞,便无回头路。图片来源:Science Photo Library

物理学家莱纳德·苏斯坎德(Leonard Susskind) 意识到这一悖论实际上并不存在,因为并没有人能够看到另一个你。安妮只能看到已经化为灰烬的你,而你只能看到活着的你自己。你和安妮之间永远无法将这两个 “你”进行对比,并且也不存在第三名观察者能够同时看到黑洞内部和外部的情况。因此在这样的情况下,物理定律将不会被突破。

Reality depends on whom you ask

除非你非要深究,这两个你究竟哪一个才是真的你。你想知道:我究竟是活着还是死了?

黑洞的研究所揭示的一项重要事实便是:根本就没有现实。所谓现实仅仅取决于你所询问的对象是谁。在这个故事中有对于安妮而言的现实,也有对于你而言的现实。大概就是这样。

在2012年的夏天,一个物理学家小组(包括4名成员:Ahmed Almheiri,Donald Marolf,Joe Polchinski 以及James Sully,简称AMPS)设计出一项思想实验,它可能将会彻底颠覆我们对黑洞的认识。

没有人知道黑洞里有什么,图片来源:Henning Dalhoff/SPL

AMPS小组意识到,苏斯坎德的解决方案完全基于一个前提,那就是黑洞的事件边界将可以调和你和安妮所见的不同事实。你安全的漂浮在空间里,而安妮看到你化为了一团灰烬,这不要紧,因为安妮看不到位于事件边界另一侧的那个你。

Anne might sneak a peek behind the horizon

但是,假如安妮找到了一种方法,可以在并不需要亲自穿越事件边界而得知这一边界另一侧情况的方法,那将会怎样?

简单的应用相对论,那么这个问题将不能成立,但量子物理学原理让这个问题变得比我们设想的更加复杂。安妮或许可以窥见事件边界后的一丝隐情,她采用的方法就是被爱因斯坦称作“鬼魅般的远距作用”('spooky action-at-a-distance')的一种现象。

当两个粒子尽管在空间上分离,但却诡异地相互联系(“纠缠”)。它们同属于一个单一而不可分的整体,因此对其进行描述的信息无法在它们其中的任何一个粒子身上找到,而在于如鬼魅般将它们两者联系在一起的那种“纠缠”之中。

相距甚远的两个粒子却被诡异的“纠缠”在了一起,图片来源:Victor de Schwanberg/SPL

AMPS小组的思想实验正是基于此——设想安妮掌握有靠近视界的一组信息,称之为A。

Each bit of information can only be entangled once

如果她的故事是正确的,你已经在黑洞边界附近化为灰烬,那么信息A必定与另外一组信息B之间存在纠缠,信息B应当与那团高温粒子流有关。

而在另一方面,如果你的故事是正确的,你在事件边界的另一侧安全地存活着。那么信息A则必须与另一个不同的信息C相互纠缠,这个信息C应当在黑洞内部的某个地方。

这里就出现了矛盾:每一组信息都只能被关联一次。也就是说信息A只能在B和C之间关联一次——要么与B纠缠,要么与C纠缠,不能两者同时。

黑洞会将周围恒星的物质吸走,图片来源:NASA/CXC/M.Weiss

因此安妮手里握有信息A,并将它放入她的手持式纠缠解译机,此时这台机器将会显示答案:要么B,要么C,而不会是两者同时显示。

Do you glide right through and live a normal life?

如果显示的答案是C,那么你的故事胜出,但量子物理学原理将会崩溃。如果信息A与深入黑洞内部的信息C相互纠缠,那么对于安妮而言,她所掌握的信息A从此将永远消失,这就违背了量子物理学所规定的信息不可丢失的原则。

那么如果显示的结果是B呢?如果解译机器显示的答案是B,那么安妮的故事胜出,但爱因斯坦的广义相对论将会崩溃。如果信息A与信息B相互纠缠,那么安妮的故事就是真实的版本,也就是说你真的已经化为灰烬,而不是安然无恙地通过事件边界,就像广义相对论所要求的那样——你遭遇到一堵真实存在的“火墙”。

这样一来,我们就被迫回到我们最初开始的地方:当你坠向一个黑洞时究竟会发生什么?你会安然无恙地通过事件边界?还是会在下落过程中一头撞上“火墙”而化为灰烬?

黑洞扭曲了周围的光线,形成了类似“透镜”的效果,图片来源:Ute Kraus,CC by 2.5

没有人知道答案,这已经成为基础物理学领域最持久的难题之一。

It would take Anne an extraordinarily long time to decode the entanglement

事实上,物理学家们已经花费超过一个世纪的时间试图调和广义相对论与量子原理之间的矛盾,他们知道最终这两者之间必定将会有一个做出让步。黑洞带给我们的这一悖论或许将帮助我们判断究竟哪一种理论将做出让步,并指引我们找出掌管宇宙运行的更深层次上的基本理论。

其中的线索之一或许就在安妮的解译机器上。要想解译出与信息A纠缠的另一个信息是极其困难而复杂的。因此新泽西州普林斯顿大学的物理学家丹尼尔·哈罗(Daniel Harlow)以及加州斯坦福大学的物理学家帕特里克·海登(Patrick Hayden)想要知道这样的解译过程将需要花费多长时间才能完成。

在2013年,他们计算的结果发现,即便借助物理学原理极限所允许的最强大的计算机,安妮要想解译出所需的信息也将耗费极其漫长的时间。到她最终解译出结果时,那个黑洞早就已经完全蒸发,从宇宙中消失了。

半人马座A包含着一个黑洞,图片来源:ESO/WFI/MPIfR/APEX/A.Weiss/NASA/CXC/CFA/R.Kraft

如果这一结果是正确的,那么解译过程本身的极端复杂性将阻止安妮找出两个版本故事之间哪个是真实的努力。这样就只能假设这两个故事都是真实的,何为现实仅仅 取决于不同的观测者,所有的物理学定律都将不会被违背——你已经死亡,化为了灰烬,但同时也安全地通过了视界,没有遭遇到可怕的“火墙”,安然无恙地活着。

If the true nature of reality lies hidden somewhere, the best place to look is a black hole

这一结果也启发物理学家们去思考一些新的问题:那就是极端复杂的计算(如安妮所遭遇的那样)与时空之间的联系。这其中似乎隐藏着某种更加深层的秘密。

这就是有关黑洞的故事,并不仅仅关乎空间旅行者们的命运,它们也是理论物理学的天然实验室,将物理系定律中的一些极细微缺陷无限放大,到我们完全不能忽略它们的地步。

如果现实的真正本质仍然隐藏在某处,那么找出它们最好的地方就是黑洞。当然,在物理学家们真正有把握地搞清楚黑洞“火墙”的问题之前,我们最好还是站在视界的外部观察会比较好一点。或者我们就把安妮送进去,这次该轮到她上了。

结语:霍金前段时间虽然提出了“超级译本”来解决信息悖论,还提出黑洞可能是通往平行宇宙的一个通道。但是,判定霍金的想法是否是一个真正的突破还为时尚早。超级译本很难成为唯一的解释。最近几年,物理学家想出了一大堆点子来解决信息丢失悖论,使悖论愈发复杂。霍金的“超级译本”或许对很多人来说只是把他们丢进更大的困惑之中。

文:BBC/Amanda Gefter

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