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黑洞或许并不存在

2014-02-20

霍金新理论

黑洞或许并不存在

胡轩逸 《 光明日报 》( 2014年02月20日   12 版)

    在今天的物理学界,黑洞理论似乎已经成为被广泛接受的主流。但著名理论物理学家、“黑洞理论大师”、英国剑桥大学应用数学与理论物理学系终身教授斯蒂芬·霍金日前却修正了自己的黑洞理论。

 

    美国宇航局钱德拉X射线天文台观测到在银河系的中心有一个巨大的黑洞,取名人马座A。在过去的几年里,通过间歇性观测,钱德拉曾经发现来自人马座A的X射线光斑。一项新的研究表明,钱德拉X射线捕获到的光斑可能是掉入银河系巨大黑洞的小行星。如果上面的设想得到证实的话,将意味着黑洞周围存在着百万亿的小行星和彗星。

 

黑洞,无法看到的神秘天体

 

    在现代广义相对论中,黑洞是宇宙空间内存在的一种密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小的奇异天体。它是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后,发生自身引力坍缩而产生的。由于它类似热力学上完全不反射光线的黑体,被著名的美国理论物理学家约翰·惠勒称之为“黑洞”,并沿用至今。

 

    与别的天体相比,黑洞十分特殊。它的质量极其巨大,而体积却十分微小。它可以产生的巨大的引力,任何物质一旦进入到它的引力临界点(即黑洞的边界,也叫黑洞视界),便再无法逃脱,就连传播速度最快的光也逃逸不出。因此,人们无法直接观察到黑洞,科学家也只能对其内部结构提出各种理论猜想。

 

    科学家们认为,黑洞把自己隐藏起来的“武器”是时空弯曲。根据广义相对论,时空会在引力场作用下发生弯曲。这时候,光虽然仍然沿着任意两点间的最短光程传播,但相对而言,它已经弯曲。在经过大密度的天体时,时空会弯曲,光也就偏离了原来的方向。由于黑洞的存在,被它挡着的恒星发出的光,有一部分会落入黑洞中而消失,但另一部分光线则会通过弯曲的时空,绕过黑洞而到达地球——也就是说,我们只能观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的“隐身术”。

 

    更有趣的是,有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球,它朝其他方向发射的光也可能被附近黑洞的强引力场弯曲而能到达地球。这样,我们就不仅能看见这颗恒星的“脸”,还同时看到它的“侧面”,甚至“后背”,这就是宇宙中的“引力透镜效应”。

 

量子力学让黑洞的存在变得“可疑”

 

    霍金是现代黑洞理论的创立者之一,也是现代最著名的理论物理学家。1974年,他考查了黑洞附近的量子效应,发现黑洞会像天体一样发出辐射,该辐射被命名为“霍金辐射”。“霍金辐射”的温度和自己的质量成反比——这样,黑洞就会因为辐射而慢慢变小,而温度却越变越高,最后以爆炸告终。

 

    1976年,霍金提出了著名的“黑洞信息悖论”,即黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息,一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后,黑洞内部的信息也就不知去向。在《时间简史——从大爆炸到黑洞》、《黑洞、婴儿宇宙及其他》和《果壳中的宇宙》中,霍金都曾详细论述了黑洞。

 

    然而量子物理学的发展,让黑洞的存在变得“可疑”。现代量子物理学认定物质信息是永远不会完全消失的,这就与霍金提出的黑洞理论存在相悖之处。

 

    其实,霍金也一直在思考黑洞是否存在。他在《时间简史》中曾写到,他曾担心黑洞可能只是理论上的概念,而现实中根本不存在。为了解决这个问题,霍金曾试图以各种推测来解释其这一自相矛盾的观点。他曾表示,黑洞中的量子运动是一种特殊情况;由于黑洞中的引力非常强烈,量子力学在此时已经不再适用了。但这种说法并没有让科学界众多持怀疑态度学者信服。

 

    2004年,霍金推翻了自己的论述:在他提交于“第17届国际广义相对论和万有引力大会”的论文中,他坦诚“黑洞信息悖论”是错误的,黑洞同样遵守宇宙普遍规律,是信息守恒的。此外,霍金还证明了黑洞的面积定理,即随着时间的增加,黑洞的面积不减。

 

    在今年1月22日,72岁的霍金再次震惊了国际物理学界。他在当天提交给美国康奈尔大学的一篇论文中,提出了一个新的关于黑洞视界的解释,并尝试解决“黑洞信息悖论”。这篇尚未通过同行评议的论文有个生涩的题目:《黑洞的信息保存与气象预报》(Information Preservation and Weather Forecasting For Black Holes)。在这篇论文中,霍金指出由于找不到黑洞的确切视界,因此经典理论上的黑洞是不存在的。

 

    霍金说,物质和能量在被黑洞困住一段时间后,又会被重新释放到宇宙中。他在论文中承认自己最初有关黑洞视界的认识是有缺陷的——光线其实是可以穿越视界的。当光线逃离黑洞的核心“奇点”时,它的运动就像人在跑步机上奔跑一样,慢慢地通过向外辐射而收缩。这与量子力学理论表明能量和信息是可以从黑洞中逃离出来的有了共通之处。

 

    在这篇最新论文中,霍金既没有放弃相对论,也没有放弃量子力学。他提出,黑洞附近的量子效应使得时空涨落极其猛烈,因此不可能存在一条绝对清晰的分界线,也就不存在一落进去就再也逃不出来的所谓“事件视界”。取而代之的是,霍金提出了一个被称为“表面视界”的全新概念。在这个视界的表面,企图逃离黑洞核心奇点的光线,将被悬浮。信息只是暂时被囚禁在其中,终有一天,随着“表面视界”的消失,被囚禁的信息会以另一种几乎无法辨认的方式被释放出来。假如霍金的这一最新理论未来被证明是正确的,那么原则上来说,一切物质最终都可以逃离黑洞,于是严格的传统意义上的黑洞也就不复存在了。不过,霍金在论文中并没有具体说明“表面视界”会怎样消失。

 

霍金的黑洞赌局

 

    从支持到否定,这并不是一个简单的过程。或许我们可以从霍金输掉的那三场著名的学术赌局中,看到霍金转变的端倪。

 

    第一场赌局,他坚信黑洞是存在的。1975年,他与美国理论物理学家、加州理工学院教授基普·索恩开赌:黑洞是否存在。两个人赌的是当时一个最有可能疑似为黑洞的天体——天鹅座X-1。霍金曾在《时间简史》说:“当我们1975年打赌时,我们80%肯定天鹅座X-1是黑洞,现在我会说有95%肯定,但这场赌局仍未有结果。”但不久以后——1990年,霍金就很“伤心”地认输了。

 

    第二场赌局,霍金和索恩站在了同一阵线。1991年,霍金和索恩与美国理论物理学家、加州理工学院教授约翰·普雷斯基对赌。当时的命题是,“裸奇点”是否存在。“奇点”,又称“奇异点”,即时空具有无限曲率的一点,时空在该处开始、在该处完结。理论上说,奇点应该被黑洞围绕,但是否存在没被黑洞包围的“裸奇点”呢?霍金与索恩认为裸奇点并不存在,而普雷斯基却认为是存在的。双方约定,谁输了就要向对方送上一件写着服输字眼的T恤衫。

 

    这场赌局,霍金也输了。后来的研究证明黑洞经过“霍金蒸发”之后可能保留一个裸奇点——1997年美国德克萨斯大学的科学家利用超级计算机证明了黑洞坍塌的时候,在非常特别的条件下,存在裸奇点。这位大学理学家可爱的在文字上耍赖,他说,裸奇点是由于量子过程产生的,而不是赌约上描述的、由于广义相对论形成的。但是,霍金修正了他的理论,指出裸奇点有可能存在。

 

    输了赌局的霍金立即要求与普雷斯基再赌一场。他和索恩指出,任何物质掉进黑洞后都将消失,黑洞中产生的辐射是全新制造的,与掉进黑洞中的物质无关。然而这一项命题违反了量子力学——也就是说,若命题正确,量子力学或要重写。这一场,霍金又输了。2004年,霍金在出席学术研讨会时认输,向对方赔上《完全棒球——终极棒球百科全书》。

 

    黑洞或许并不存在——这可能是霍金最新的赌局。

 

    对于这个理论,一些科学家表示认可,也有人持怀疑态度。加拿大阿尔伯塔大学的理论物理学家、黑洞专家唐·佩吉教授认为霍金的解释很合乎情理。但加州大学圣塔巴巴拉分校卡夫立理论物理研究所的理论物理学家约瑟夫·波尔钦斯基教授则指出,根据爱因斯坦的重力理论,黑洞的边界是存在的,只是它与宇宙其他部分的区别并不明显。而霍金的前学生、加州大学伯克利分校的理论物理学家、物理学系教授拉尔夫·伯索也对此有所保留。

 

    这一研究需要相当长的时间。霍金说,对于这种逃离过程的解释,需要一个能够将重力和其他基本力成功融合的理论。在过去近一百年间,还没有人能够提出这一理论。或许正如霍金对著名英国学术期刊《自然》杂志所说,问题的正确解释仍然是一个谜。

 

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