黑洞里面是什么?

2017-08-01



黑洞里面是什么?

这是一个还没有答案,也许永远都没有确定答案的问题。

故事要从100多年前讲起。

1915年,爱因斯坦发表了伟大的广义相对论理论。由于广义相对论的场方程是二阶非线性偏微分方程,爱因斯坦本人觉得应该不会有精确的解析解,而只能有近似解或者数值解。但是令爱因斯坦非常惊讶的是,仅仅几个月之后,正在前线打仗的奥地利数学家史瓦西竟然得到了一个解析解,这就是点质量、无自转和不带电的引力场的解,今天被称为史瓦西解。

这个解的一个性质是存在一个视界,在视界处红移无穷大而且时间停滞。由于任何东西,包括光线,都是只能进去而不能出来,所以这个解也被称为黑洞解,它的另外一个性质就是其中心是一个奇点,也就是所有的物理量都发散。所以根据这个解,黑洞里面就是除了中心的奇点之外,其他地方什么都没有。

但是爱因斯坦不相信自然界存在物理量发散的物体,因此坚信这个解在自然界不存在,一定有当时未知的物理规律阻止奇点的形成,所以宇宙中不会有黑洞存在。当然今天我们知道宇宙中有很多黑洞,我本人就发现过黑洞,而且今年6月15号发射的慧眼天文卫星(我担任该卫星的首席科学家)的任务之一就是寻找更多的黑洞。

那么爱因斯坦错了吗?错在哪儿?

我们知道,爱因斯坦是因为发现光电效应而获得诺贝尔物理学奖的,而这是量子力学的奠基性成就。根据广义相对论,黑洞中心的奇点处的体积必须是无穷小(而这就是物理量发散的原因),但是量子力学的不确定性原理不允许出现无穷小的体积,因此在那个地方应该是引力效应和量子效应同时都非常强烈的区域,也就是量子引力效应起作用,但是我们目前还没有能够自洽地描述量子引力的物理学理论,因此我们并不知道那里到底在发生什么。电影《星际穿越》的科学主题就是派宇航员到黑洞中心获得“量子引力”的数据,用来检验电影中的布兰教授的引力理论。

还有一类模型认为不仅仅是黑洞中心的情况需要用到量子效应,就是在物质进入黑洞的过程中也需要考虑量子纠缠效应。在这种情况下,黑洞视界内部靠近黑洞视界的区域就必须有高能粒子的存在,被称为黑洞的“火墙”。但是火墙是否存在并没有定论。

最后,要问黑洞内部的情况,还需要说明使用的参考系和时钟。

上面这些情况都对应一种参考系,也就是在黑洞的引力场中做自由落体进入黑洞观测者的参考系,用的时钟是他自己携带的时钟。但是我们知道,根据广义相对论,不同引力场中的时钟走的快慢是不同的,即使他们一开始把时钟对准,他们离开之后时钟就不可能继续同步了。所以,如果用黑洞外部观测者的时钟计时,那么得到的结论很可能会很不同。情况其实也正是这样。

根据广义相对论的所有教科书中给出的经典例子,如果使用外部观测者的时钟,那么即使经过无穷长的时间,物质也不可能进入黑洞,因此对于(还)没有进入黑洞的我们来讲,黑洞里面实际上什么都没有!所有落向黑洞的物质都被“冻结”在黑洞的视界外面了!因此可以说,宇宙中根本就没有黑洞!

但是我和我当时的学生刘元深深地怀疑广义相对论的这个“经典”结果,因此于2009年发表了一篇文章,推翻了上述结论。

我们的计算仍然是基于广义相对论做的,但是和以往的所有计算都不同,我们考虑了落向黑洞的物质的质量对黑洞的度规的影响,做了完全自洽的动态度规的计算。我们的计算发现,即使对于外部观测者,物质可以顺利进入黑洞,所以宇宙中可以很自然地形成黑洞!但是我们计算的另外一个结果则更加令人吃惊:

进入黑洞的物质在外部观测者有限的时间内不会到达中心,因此物质在黑洞内部处于分布状态,物质的分布情况完全取决于物质落入黑洞的历史,但是中心处空空如也,也就是黑洞中心没有奇点!

因此,爱因斯坦没有全错:宇宙中的确没有奇点,但是有黑洞!

下图是上面所说的我们那篇论文的摘要截屏,供想了解进一步细节的朋友参考。这篇论文的链接为:http://adsabs.harvard.edu/abs/2009PhLB..679...88L


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来自:lindan9997  > 地球太空
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