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是生是死?真相何在?——千万别掉进黑洞

是生是死?真相何在?——千万别掉进黑洞
精选

2015-12-28 02:26|系统分类:科普集锦

是生是死?真相何在?

——千万别掉进黑洞

 话说黑洞

爱龙.马斯克的SpaceX公司成功回收火箭,让盼望星际旅行或外星移民的人喜出望外,说不定哪天就会梦想成真了呢!当我们人类可以在太空自由翱翔时,或者为人类寻找新的家园而苦苦搜寻途中,当你和朋友吃完晚饭到外面溜达溜达准备完成每天几万公里健康目标的时候,蓦然遭遇黑洞。你或许立刻想到:完了!不是被黑洞碾碎,就是被撕裂成粉末。朋友,别担心!事情远比你想象离奇复杂而有趣。

  任何事情都有两面性。当你被黑洞吸引过去,将会发生将会发生的结果有二:要么被黑洞边缘炙热的火焰烧成灰烬,要么毫发未损地进入黑洞,当然最好的结果也和前面一条有些相似。怎么会是这样?不可思议!

 

黑洞让光线不再直行


黑洞王国,黑一切!

当然黑洞的形成也是遵循自然物理定律的,爱因斯坦说,重力将导致空间变得弯曲。这个你不得不信,你看月球的活动空间就是围绕地球的圆形轨道;太阳系8大行星的活动场所也只是以太阳为中心形成的椭圆形跑道;我们人类到目前也只能在地球表层系统玩玩政治、经济、文化、生态等各种游戏。一个质量巨大的恒星当其能量燃尽后就能产生如此高密度的世界。在自身巨大重量作用下向内坍缩,时空也随之发生弯曲。由于引力场太过强大,甚至连光线都无法逃脱。这样,就在原来恒星所属的光明四射的区域形成伸手不见五指漆黑区域:黑洞。

黑洞的最外层边界是它的视界,所谓视界就是黑洞引力与光线试图逃脱的力正好相等的地方。黑洞视界以内区域,光线被超级重力所吸引束缚,其它物质更是无计可逃,只好乖乖进入黑洞最深处,成为奇点的一部分。

   黑洞是黑体,以其超强引力把周围的物质吸进黑洞,甚至连光线也不放过。与此同时,黑体也是辐射体,它在不停吸收物质和能量的同时也在不停向外辐射能量,传递信息。黑洞边缘由量子效应产生的热粒子被辐射回到外面的世界,形成所谓的光焰这就是所谓的霍金辐射。(我想黑洞视界产生的光焰也只是光芒而已,或者说只是发光而已,不会高达几百上千度,否则就不是黑体了。)霍金认为,经历足够长时间,黑洞就会辐射掉所有能量,最后消失。或者黑洞奇点在自身重力下也会发生爆炸,可能会产生一个小宇宙。沿着黑洞往里去,越往里面空间扭曲的越厉害,在黑洞的中心就会变得无限弯曲,这是奇点。在这里空间和时间不复存在,我们熟知的基于时间和空间的物理定律也不再适用。

     在奇点也就是黑洞的中心是什么样子?是另一个宇宙?是湮没?还是书柜的背面?目前不仅没有人亲自进去观察过,连想象一下的人也还没有。

    黑洞是进去出不来的单行道

 

是死?是活?谁说了算?

   那么,如果你不小心掉入这些宇宙怪胎——黑洞会发生怎样恐怖离奇的故事?这当然得从和你一样在太空极速运动的同伴开始,她是事件的见证人、目击者,我们叫她安妮,你想叫她凤姐或者美美都行。在你猝不及防突然陷入黑洞的那一刻,她正在黑洞之外安全的地方“腾云驾雾”着。看着你被一只无形的手拽向黑洞,安妮惊恐万分,手足无措,只能呆呆地看着你越来越靠近黑洞。

     在黑洞引力作用下,你越来越快地黑洞视界奔去,黑洞视界就是引力和光线试图逃脱力相等的地方,是黑洞的边缘或洞口。安妮发现,你身体好像被一个巨大的放大镜放大了一样,被极度伸展和扭曲,她恐惧万分,甚至想找个地洞钻进去(她甚至忘记了自己已经不在地球上了)。虽然极度恐慌,虽然瞠目结舌,虽然想找个地方躲起来,但她的目光却无法从你身上离开,因为,在这茫茫宇宙中,目前你是她目前的宇友。可是,她想不出用任何什么方法能够阻挡你离开目前的宇宙,而进入黑暗的地狱。你距离视界越近,移动的速度越慢,就像在做慢动作。

   你本能的向她呼救,但无济于事。因为太空中没有空气,她无法听到你的呼救。你转而尝试用IPHONE 6sIPHONEXs给她发短信,你发送的信息也是以极慢的速度传递:“快来救我!快---我!快—来—救—我,快————来————救————我......

   当你被拉到视界处,竟然停了下来,像机器传送带上的物品因为忽然停电或者有人按了暂停按钮,你待在那里,纹丝不动,而视界上的热浪烈焰般的辐射光芒吞食着你。

接下来安妮看到了悲痛欲绝的一幕:你消失在慢慢伸展的空间。时间和霍金辐射都停止了,在你进入无底黑洞之前就已经化作了灰烬。

 黑洞也向外辐射能量

英国天文物理学家霍金

“你”自己怎么看?

莫要悲伤!这只是一个旁观者眼里看到的事情的全过程。作为当局者,事件的整个过程又是怎样的呢?“安然无恙”?!,真是荒宇宙之大堂!

   你的亲身经历告诉你,你是径直飘落到宇宙中最不祥的目的地,没有撞击,没有摇摆,没有被伸缩、没有止步不前,也没有被烈焰烫灼。你只是在做自由落体运动,你甚至感觉不到重力,这就是爱因斯坦称之为的“最快乐的思想”

   所谓最快乐的思想是说正在自由下落的人感觉不到其自身的重量。当一位太空行者跨过名为事件视界的不归点、进入黑洞时,他自己不会感觉到有任何特殊的事情在发生。就像玩蹦极跳的人一样,他会有失重感,这种感觉一直持续到他探底的时刻,这段旅程的时间可以是几秒钟也可以是数年,依黑洞大小而不同。

     当然了,黑洞视界仅是透视的假象,而不是像砖墙漂浮在太空中。黑洞外的观察者是无法通过视界看到黑洞里面的景象。然而,在你看来根本不存在视界。难道地球人曾经常用的成语“当局者迷,旁观者清"在黑洞世界也用得上?

前面说过,黑洞有大小的不同。我们干什么事情都愿意挑选大的,跳黑洞也是大的好,它会增加你的幸福感。如果黑洞太小,烦恼就来了:你的脚部由于更接近黑洞中心—奇点,故受到的引力大于头部,受力不均将会导致你的身体被拉伸成一根意大利面条。庆幸的是,你遇到的是个大块头黑洞,质量是太阳的数百万倍,这样头部和脚部所受引力的差异小到可以忽略不计。在一个足够大的黑洞里,你甚至可以安度余生,直到你来到黑洞的中心,葬身于奇点。

 

 

开弓没有回头箭?

你或许会迷惑不解,这有几分真实性?如果真的被这破裂的时空连续体所吸附,难道就不能夺路而逃?

 想从黑洞中逃生?简直就是白洞做梦!

空间和时间在这里被折磨的痛苦不堪,被极度扭曲,视界以内,空间和时间完全颠倒。从某种意义上说,是时间在牵引着你奔向奇点的。你不能转身逃离黑洞,正像一个白发苍苍的老太婆无法变回如花似玉的妙龄少女!

   黑洞边缘叫视界,也有人称之为事件视界


 安妮错了?

   这时,你可能要问,既然安妮看到你已经永垂不朽了,怎么还能跨过视界大门,亲自进入黑洞?难道是安妮错了?难道是安妮因惊恐产生了幻觉?    

   安妮没错!她的推断是完全合理的。从她的角度来看,你真的已经在视界处粉碎成末,而非幻觉。她甚至可以收起你的骨灰,送给你的亲人。正像从安妮的角度来看的一样,按照自然界的规律,你必须留在黑洞外。这是因为量子物理学要求信息不会消失,你的每一信息片段都得留在黑洞视界之外,免得安妮所认可的物理规律被打破。另一方面,物理定律也需要你畅通无阻的通过黑洞视界,不会遇到热的颗粒或任何不寻常的。否则将会和爱因斯坦的最快乐的思想,和他的广义相对论相抵触。 

 


黑洞信息悖论

   所以物理定律要求你既在黑洞外化为一堆粉齑,也需要你在黑洞内毫发未损地存在,甚至感觉生活得很幸福似的。

   最后但并非最不重要的是物理学第三定律,说的是信息不能被克隆。你必须出现在两个地方,但只能有一个你。于是,按照物理定律,得出来一个相互矛盾,非常荒谬的结论,物理学家称之为黑洞信息悖论。

   幸运的是,在20世纪90年代,他们找到了一种方法来解决它。伦纳德·萨斯坎德认为,没有矛盾,因为没有一个人曾经看到克隆的你。安妮只看到你一个副本,你也只看到你一个副本。你和安妮永远无法对比所获得的信息。而且也没有第三方可以同时看到黑洞内部和外部。 所以,没有物理定律被打破(这是不是有点自欺欺人?)。    

    除非你需要知道这故事是真的,你真的死了还是你真的还活着?    

    黑洞向我们揭示的伟大的秘密是没有真相。

    事实取决于你问谁,是安妮看到的真相还是你看到的真相。


 鬼使神差的超距作用

   2012年夏天,来自加州大学圣芭芭拉分校艾哈迈德·艾尔姆赫里(Ahmed Almheiri)、唐纳德·马洛尔夫(Donald Marolf)、和詹姆斯·萨利(James Sully),和则来自卡弗里研究所波尔钦斯基(Joe Polchinski),自称“AMPS”(取自四人姓氏的首字母),对黑洞信息悖论进行了联合攻关研究。他们研究认为,跳洞者和观察者之所以得出完全不同的结论是因为黑洞视界的存在导致的。安妮看到你被霍金辐射击成粉末,是因为她无法透过视界看到成功穿越视界进入黑洞的你。

  但是,能不能找到什么办法让她看到视界另一侧发生的事情,而无需穿越视界?对普通相对论来说,那是不可能的,对于量子力学来说,可能有点麻烦。那就是,安妮可以一点小诡计—爱因斯坦的“鬼使神差的超距作用”,来到视界后面进行偷窥。

   所谓“鬼使神差的超距作用”是指两颗相隔遥远的粒子(或信息片段)其实是神秘的纠缠在一起的,是一个不可分离的个体的组成部分。因此,描述它们的信息不能在一处找到,应该通过幽灵般的链接来实现。可以再通俗些,你有一个IPHONE6手机,手机的正面A背面B是存在一定距离且相互依存的,A和B是相互纠缠的。而另一个手机背面或许是小米手机的背面C只能与另一个手机正面D相互纠缠。


理论物理学家拉菲尔·鲍索

理论物理学家莱昂纳德·萨斯金德


 纠缠不休

     AMPS团队认为,量子纠缠理论可以帮助安妮和你解开难题:假如安妮获得了视界附近的某一信息片段A,如果她所知道的故事是真的,即你被霍金辐射碾成粉末,那么信息片段A需与辐射云中的某一信息片段B相纠缠。

   另一方面,如果你的故事是真实的,你在事件视界的另一面活得也够“滋润”的话,那么信息片段A必须与在黑洞中的另一信息片段C纠缠。

   问题的关键是:每个信息位只能使用一次纠缠。信息片段A只能与B或C纠缠,而不能同时与这两个信息纠缠。

    因此,安妮把她所获得的信息 A通过纠缠解码机的复杂运算得出一个答案或者 B或者C.

如果得到的答案是C,那么你的故事赢了,但量子力学定律就不成立了。如果A与处在黑洞里面的C纠缠,安妮则永远也不会明白。与此同时也就打破了信息永远不会丢失的量子定律。

再回过头来看B,如果安妮的解码机发现A与B纠缠,那么就是安妮赢,广义相对论则不成立。如果A与B纠缠,那么可以得出安妮看到的故事是真实的结论,即,你被焚成灰烬,而不是穿越视界。这正如相对论所说,你应该的扑上燃烧的火墙相一致。

 

 

 给她一台解码机

   我们又回到了起点:当你掉进一个黑洞会发生什么?你通过了事件视界安然无恙,依靠现实中奇异的观察角度?还是在接近视界前扑进了致命火焰?没有人知道答案,这已成为基础物理学中最有争议的问题之一物理学家们花了一个多世纪的努力调和与量子力学广义相对论都没有成功,最后的选项是忍痛割爱,要么选择广义相对论,要么选择量子力学。火墙悖论告诉我们,需要一个新的理论来帮助我们进行更深层次宇宙探索。

如果安妮有一个解码机的话就可能解码出到底是B还是CA纠缠,新泽西州普林斯顿大学物理学家丹尼尔·哈洛和加州斯坦福大学的帕特里克·海登想知道的是到底需要花多长时间才能解码出来。

       通过艰苦卓绝的计算,2013年终于得出答案:即使使用当前物理学理论下最快的计算机,等安妮解码出结果的那一天,黑洞早已通过霍金辐射而损耗掉所有能量而不复存在,那黑洞视界处致命的火墙也早已随风而去。
     
如果是这样的话,问题的极度复杂性可能会让安妮永远无法搞清楚到底哪一个故事是真,哪一个是假。那就只好将两者都看作是真实存在,也就是说事情的真相依赖于观察者的角度。这样所有的物理学定律都仍然完整无缺,也没有人因为闯入黑洞火墙而受到心灵的或肉体的创伤,这是一个皆大欢喜的结局。

 这也给物理学家一些新的思考:复杂计算与时间-空间引人入胜的关系(像一个安妮显然不能这样做)研究可能是揭示宇宙深处奥秘的一扇门。

黑洞不仅是太空行者的恼人陷阱,也是怀揣奇思妙想物理学家们的理论实验室,他们对人类探究宇宙的重要性不言而喻。

    如果说自然的本质真的隐藏的宇宙的某个角落,最大可能的地方就是黑洞。当然,在弄明白黑洞视界火墙之前,研究黑洞的最好的办法是在黑洞外面观察,如果一定要进去的话,就让安妮进去吧,该轮到她了。

 

翻译自Amanda GefterThe strange fate of a personfalling into a black hole,来自网页:http://www.bbc.com/earth/story/20150525-a-black-hole-would-clone-you。有改动,欢迎批评指正!



http://blog.sciencenet.cn/blog-200380-946299.html  此文来自科学网陈永金博客,转载请注明出处。   
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