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落入黑洞一定灰飞烟灭?冲入奇点或许能看看内部

时间:2018-3-8 12:00:23 点击:

  核心提示:长时间以来,物理学家一直坚称人类不可能揭开黑洞之谜。任何物体一旦进入黑洞便一去不返,无法开展研究。少量物质和能量也许能够以霍金辐射的形式逃离黑洞的魔爪,但任何落入黑洞的物体都将从实体宇宙中消失不见。现...

长时间以来,物理学家一直坚称人类不可能揭开黑洞之谜。任何物体一旦进入黑洞便一去不返,无法开展研究。少量物质和能量也许能够以“霍金辐射”的形式逃离黑洞的魔爪,但任何落入黑洞的物体都将从实体宇宙中消失不见。

现代物理有这样一条基本假设:任何物体只要落入黑洞,就无法再联系到它,也无法预测其未来情况。任何观察者都不可能在黑洞内部存活,甚至来不及瞥一眼四周,就会彻底湮灭。

然而,一群来自葡萄牙、加拿大、荷兰和美国的数学家和物理学家则试图在该假说中找到一个缺口。目前该研究规模还很小,但已经在学界激发了不少兴趣和相关研究。

研究人员在在1月17日发表在期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的论文中指出,在一些极端情况下,理论中的观测者能够穿越黑洞边界,且不会立即毁灭。假如你驾驶坚不可摧的宇宙飞船冲入这些奇点(即黑洞的物质和能量全部消失的点)的事件边界,也许还能活着看一眼黑洞内部的模样。

这一理论如同在黑洞之谜上敲开了一道小小的裂隙。

要理解这对物理学家而言为何如此重要,首先要明白他们是如何看待宇宙的。

宇宙审查假说(cosmic censorship hypothesis)指出,黑洞边界如同一堵密不透风的墙,不可能观测其内部情况。该假说由数学家罗杰·潘洛斯(Roger Penrose)于1969年率先提出,后来史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)、基普·索恩(Kip Thorne)等人对该假说展开辩论。

几十年来,该假说屡经修改,但始终未被列为正式理论。但对一些研究人员而言,它就像一种信仰,能够完美整合现代宇宙模型中一些尚未弄清的问题。

但此次新发表的论文认为,宇宙审查假说在这些特殊黑洞的边界区域无法成立。如果观察者能够突破可预测、可观测区域,深入黑洞中的神秘地带,就意味着物理学有望将未知变为已知。

宇宙:一座未来牢笼

物理学家希望宇宙能像钟表一样运行。设置好所有原始条件,把这颗恒星放在这里,那颗行星安在那里,再在那边角落里放一波能量,接下来就交由宇宙法则决定整个系统如何随时间变化。

物理学家假定所有物质都遵循隐形的“轨道”运行,从一个目的地奔赴下一个目的地。虽然人类和超级计算机预测未来的能力有限,但物理学家一般假定,未来如何早有定数。就连古怪随机的量子力学,其实也并未违背这条根本性的物理学决定论。

“在量子力学范畴内,有些事情当然是无法由决定论预测的,比如原子何时会衰变等。”加州大学伯克利分校数学家、克雷数学研究所的助理研究员皮特·辛茨(Peter Hintz)在采访中表示,“但我们可以预测量子可能衰变时间(和不可能衰变时间)的概率分布情况。”

从量子力学来看,宇宙由众多不断变化、相互交织的概率分布组成,这无疑比牛顿、甚至爱因斯坦构建的世界观复杂得多,也令人困惑得多,但它本质上仍未脱离决定论。

世间万物都被禁锢在自己命定的轨道上,斗转星移,始终不变。

黑洞:或打破牢笼

决定论唯一失效的地方便是奇点内部。如果将足够的质量和能量压缩在一起、使其坍缩成为一点,爱因斯坦法则便会失灵。突然之间,物理法则开始使不可能成为可能,使有限的答案成为“无限”。

奇点处的引力有多大?无穷大。奇点处的时空弯曲度有多高?无穷高。

在这种情况下,我们熟知的物理学可谓束手无策。

无论奇点内部会发生什么,现代物理学都无力解释。而根据潘洛斯对宇宙审查假说的解释,我们所在宇宙中的科学家永远无法获知真相。

时空的结构决定了我们注定与事实无缘:所有已知的奇点要么被封锁在黑洞事件边界内部,要么隐藏在宇宙大爆炸之初那段不为人知的历史中。

灰飞烟灭

虽说今年1月17号发表的那篇论文只是冰山一角,但它捅开的裂隙很可能越变越宽,直至颠覆整个宇宙审查假说。

辛茨和同事们指出,在特定情况下,黑洞周围的“死亡之墙”的确有可能瓦解。

在科学家探讨黑洞边界附近区域的宇宙审查假说应用情况时,讨论重点之一便是能量在接近奇点时如何表现。

正统观点认为,时间在黑洞附近会放慢速度(如果你看过《星际穿越》你肯定明白这一点)。如果在一名宇航员朝事件边界坠落的过程中向其发射一束白光,从宇航员的视角来看,时间的膨胀效应便会导致光线变化。对宇航员来说,时间流逝得越来越慢。但光源所处位置不变,光线一波波抵达的速度也不变。

这样一来,每道光波波峰到达宇航员所在处的时间便似乎越来越快。这些电磁辐射(可见光也是其中一种)的波峰传递至宇航员处的速度越来越快,也就意味着在宇航员看来,波的频率不断加快。随着频率增加,光线相对宇航员发生蓝移,每秒携带的能量便越来越多。

在宇航员看来,这道温和的闪光不久便会变成一束炽热的伽马辐射。因此,就在奇点使空间高度扭曲、无从辨认的边界上,时间似乎完全静止,频率激增至无限高,能量也趋于无穷大,绝对不容生命存活。

这是可理解的物理范畴的最后防线,就像神话中看守地狱之门的三头犬一样,防线背后便是无穷无尽的虚空。它仿佛在警告人们:只要来到这里,你就会彻底湮灭。

带电黑洞

然而,事实也许未必如此。按照辛茨和同事们建立的模型,上述能量蓝移之墙亦有消失的可能。

“在我们研究的模型中,宇宙中只有一个黑洞,并且宇宙已处于演化末期,我等其余物质早已灰飞烟灭,或者消失在了遥远的奇点中。”辛茨解释道,“这是一个漆黑、荒凉的世界。”

而他们描述的这个黑洞也不同寻常,带有很强的电磁电荷。

正常情况下,强带电粒子总会相互吸引、然后互相抵消。世界上强电荷有很多,例如用气球摩擦头发后、头发就会带上电荷。但大型物体所带电荷总能互相抵消,使总电荷为零。因此辛茨指出,他们此次研究的黑洞不太可能存在于真实宇宙之中。

不过,物理学家还是会研究带电黑洞,因为它们和快速旋转的黑洞非常类似。只不过后者虽然存在,却难以进行计算。

“电荷就类似于角动量。”辛茨指出。两者并不完全相同,但效果相似,因此物理学家有时在研究黑洞时会将两者进行对换。

结果发现,当黑洞所带电荷足够强时,另一种效应便会胜过蓝移效应,也许能拯救上面那位倒霉宇航员的生命:能量在接近黑洞时会逐渐衰减,而在该研究中,能量衰减的速度竟然超过了蓝移速度。因此能量不会在黑洞边界附近激增至无穷大,而是恰好相反,在边界处逐渐消逝。

“如果你在越过事件边界之后还能侥幸存活,决定论就会不攻自破,因为你无法预测此后会发生什么。”辛茨说道。

爆炸效应

一石激起千层浪。该理论出现后,迅速吸引了大量后续研究。

1月29日,另一支数学家和物理学家团队在网站arXiv上发表论文,目前正等待同行评审。他们在论文中研究了同一个问题,只不过研究对象是更常见、也更难建模的快速旋转黑洞。

他们发现,如果没有辛茨等人设想的“带电黑洞”这一极端条件,宇宙审查假说仍然完整有效。在他们创建的模型中,能量束接近奇点时仍然会衰减,但速度不够快,无法阻止致命的蓝移效应。在现实与虚无的边界,仍可能燃起炼狱般的大火。

辛茨强调,他和同事们构建的宇宙模型“离现实相去甚远”,但此类抽象研究能够在人们广泛接受的现实概念中打开缺口,以实验物理无法企及的方式,探索全新的研究领域。

“对于黑洞的内部情况,很难从外部获取确凿的证据。”辛茨指出。

但此次研究说明,不管我们有没有这个眼福,宇宙中也许总有某种东西能一瞥黑洞内部的真相

作者:佚名 来源:不详
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