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斯蒂芬 霍金:黑洞不“黑”

2014-01-28

斯蒂芬 霍金:黑洞不“黑”

秦鹏 今天10:47

如果现代物理学的两大支柱——广义相对论和量子力学——都是正确的,黑洞的典型特征便有可能必须遭到抛弃。图片来源:nbcnews.com

(文/Zeeya Merali)大多数物理学家若是敢愣头愣脑地写篇论文,宣称“根本没有黑洞”——至少没有我们平常想象的那种黑洞——估计都会被列为二百五。但若提出来要重新定义这些宇宙怪兽的人是斯蒂芬?霍金(Stephen Hawking),这就值得大家正经考虑一下了。在一篇在线发表的论文中,这位英国剑桥大学的物理学家作为现代黑洞理论的创立者之一,推翻了事件视界(event horizon)的概念。所谓事件视界,是被认为包覆于每个黑洞周围的不可见的边界。一旦进入了这个边界,包括光在内的一切都将永无逃离之日。

霍金在他这次惊世骇俗的主张当中,以温和得多的“表观视界”(apparent horizon)代替了事件视界。表观视界只会暂时地禁锢物质和能量,最终还是会把它们释放出来,尽管已是面目全非。

“在经典理论中,什么都不能从黑洞中逃脱。”霍金对《自然》杂志说。然而量子理论却“意味着能量和信息能够逃离黑洞”。若要完满地解释这一过程,这位物理学家承认,人们需要一个能将引力和其他基本自然力统一起来的理论。然而这个目标已经令物理学家上下求索了接近一个世纪。“正确的解答,”霍金说,“依然是不解之谜。”

霍金1月22日将论文发表在了arXiv预刊本服务器上。他为其取了个古怪的标题《信息留存与黑洞天气预报》(Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes)。这篇论文是根据2013年8月他通过Skype在加利福尼亚圣芭芭拉市凯维里理论物理研究所的一次会议上发表的讲话整理而成的,目前还没有接受过同行评议。

火墙的困扰

霍金这项新的研究旨在解决所谓的黑洞火墙悖论。自打由凯维里研究所的理论物理学家约瑟夫?玻尔钦斯基(Joseph Polchinski)及其同事提出来,该悖论已经折磨了物理学家们差不多两年。

在一项思想实验中,研究者对一名不幸落入黑洞的宇航员的命运提出了追问。事件视界的存在是爱因斯坦广义相对论简单而直接的数学推论。1915年下半年,爱因斯坦发表广义相对论还不到1个月,德国天文学家卡尔?史瓦西(Karl Schwarzschild)便在写给爱因斯坦的一份信中指出了这一点。长久以来物理学家们一直认为,在这一场景中,宇航员在越过事件视界之时还是无忧无虑的,浑然不知即将到来的霉运。之后他被慢慢拉向中心,途中身体被拉伸得越来越细长,浑如一根兰州拉面。最终他将在奇点——理论上密度无穷大的黑洞中心——被压缩得无形无迹。

然而在细致分析这一情景时,玻尔钦斯基的团队做出了一个惊人的发现:描述小尺度粒子行为的量子理论将之前认为的情形完全改变了。他们说,量子理论决定了事件视界事实上必然是一个高能区域,或者说是一道会把宇航员烧成薯条的“火墙”。

结果是学界一片人心惶惶,因为火墙理论遵守了量子理论,却难与爱因斯坦的广义相对论兼容。根据广义相对论,自由跌落者感知到的物理定律在宇宙中的各处都应当是一致的,不管他是在落向黑洞还是飘行在空寂的星际空间。对爱因斯坦来说,事件视界实在是个平淡无奇的所在。

被抛弃的视界

现在,霍金提出了简单得令人心痒的第三种观点。量子力学和广义相对论依然完好无损,但黑洞不再拥有一个火爆的事件视界。他的观点的核心是,量子效应在黑洞周围造成了狂暴的时空涨落,以至于无法存在一个平滑的边界面。

霍金提出了“表观视界”来替代事件视界,这个概念指的是试图逃离黑洞核心的光线被禁锢之处。根据广义相对论,对稳定的黑洞来说,这两个视界是相同的,因为试图从黑洞内部逃脱的光线抵达事件视界之后便再无前途,就如同被困在了跑步机上。不过原则上这两个视界也可以不是一回事。如果黑洞吞下了更多物质,事件视界便会膨胀,超过表观视界。

20世纪70年代,霍金还提出过一种相反的情形:黑洞会因为发出“霍金辐射”而慢慢缩小。在这种情况下,理论上来讲事件视界会变得比表观视界还小。霍金的最新理论认为表观视界才是黑洞真正的边界。“没有事件视界意味着没有黑洞——假如我们将黑洞理解为光线永远无法逃脱的区域。”

“霍金设想的情形听上去挺有道理。”加拿大埃德蒙顿市艾伯塔大学的物理学家、黑洞专家唐?佩奇(Don Page)说。他曾于20世纪70年代与霍金合作。“你可以说否定事件视界的存在挺激进的。但我们探讨的问题高度符合量子条件,就连时空尚且含义模糊,更别提是否存在一个可以被视作事件视界的明确区域了。”

对于霍金提出的黑洞可以没有事件视界的观点,佩奇是接受的,但他质疑单此一说是否足以解决火墙悖论。他告诫称,哪怕转瞬即逝的表观视界也会造成与事件视界同样的问题。

与事件视界不同,表观视界会最终消失。佩奇指出,霍金将一种“原则上任何事物都可以逃离黑洞”的极端场景呈现于世人面前。霍金并未在论文中明确指出表观视界消失的方式,但佩奇推断,当其收缩到一定尺度,便有可能在量子力学和引力的共同作用下消失。到时候曾被黑洞困住的一切都将被释放,尽管已不是当初的模样。

如果霍金是正确的,那么在黑洞的中心甚至可能并不存在奇点。实际情形可能是,物质只是被暂时困在表观视界下面。表观视界在黑洞引力作用下逐渐内移,但永远不会被挤压到中心。物质携带的信息不会遭到毁灭,但会被搞得乱七八糟,以至于当其经由霍金辐射被释放出去的时候,形式已经大为不同,基本上不可能再依据它推断出当初被吞没的是什么物体。

“这比复原一本被你烧成灰的书还要困难。”佩奇说。在论文中,霍金则将这种反推比作天气预报:理论上可能,但实际上很难达到较高的精确度。

然而,玻尔钦斯基对于没有事件视界的黑洞是否存在表示怀疑。他认为足以抹掉事件视界的狂暴涨落在宇宙中太过罕见。“在爱因斯坦的引力理论中,黑洞的视界与太空中任何其他区域并无太大区别。”玻尔钦斯基说,“我们从未在附近空间观察到时空涨落:这种现象在大尺度上实在太罕见了。”

曾经师从霍金的加州大学伯克利分校理论物理学家拉斐尔?布索(Raphael Bousso)说,这个最新的观点反映出在物理学家眼中,火墙可能的存在是多么地“讨厌”。然而他对霍金的解决方案还是持谨慎态度。“相对于火墙的存在,黑洞不存在一个有去无回的视界的观点在某些方面更加激进、更容易造成问题。”他说,“可是霍金发表其第一篇关于黑洞和信息的论文足有40年了,我们对这些问题的讨论仍未休止,这一事实足以证明它们的重大意义。”


编译自:《自然》,Stephen Hawking: 'There are no black holes'
图片来源:nbcnews.com

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来自:lindan9997  > 地球太空
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