您当前的位置: 首页 > 网络

掉进黑洞别怕你还可以活在全息图里

2019-03-06 19:55:03

导语:黑洞,一个大家都耳熟能详却又不甚了解的名词。在我们的印象中似乎掉进了黑洞就意味着死亡,但事实果真如此吗?本文作者给我们介绍了一种新思路。

关键词:黑洞;量子引力;广义相对论

研究表明,黑洞并不像传闻中那么危险。图片来源:NASA/Wikimedia

在电影《星际穿越》中,男主Cooper及时从一个黑洞里逃出,见到了女儿Murph的一面。有些人认为这部电影十分科学,应被纳入学校课堂。而事实上,不少科学家相信,任何被送入黑洞的物体都会被摧毁。但一项新研究却表明事实可能并非如此。

该研究认为,一个掉入黑洞的人更有可能在不自知的情况下成为全息图片的一部分,而不是被吞噬。其观点与先前认为任何掉入黑洞的人都会触及“防火墙”并随即被毁灭的观点相对立。

霍金的黑洞

40年前,霍金发现了黑洞并不真的是黑色的,震惊了科学界。经典物理学认为任何越过黑洞视界的物体都无法逃脱。但霍金却说一但将量子效应考虑进去,黑洞其实是在不断向外发射辐射的。但不幸的是,对于典型天体物理学黑洞而言,其辐射的温度要比宇宙微波背景温度低太多,在现有科技水平下无法检测到其存在。

霍金的计算是令人费解的。如果一个黑洞持续向外辐射,它就会持续失去质量——终蒸发掉。霍金意识到这里面有一个悖论:如果一个黑洞可以蒸发,那么关于它的信息就会永远消失。也就是说即便我们能够测量黑洞发出的辐射,我们也无法得知它原先的样子。这违反了量子力学的一个重要规则:信息不会被创造也不会丢失。

霍金辐射带来的另一个问题则是黑洞决定论。决定论意味着宇宙在任何特定时间的状态可以被它在任意其它时间的状态而确定。正如此,我们可以从天文学和数学上跟踪其演变过程,当然要考虑量子力学。

关于黑洞有许多理论,但只有一个会被证明是正确的。 图片来源:NASA/Flickr, CC BY-SA

也就是说想要解决黑洞决定论这个问题,就不得不将量子力学和爱因斯坦的引力理论结合起来——一个出名的难题,同时也是众多物理学家的目标。黑洞物理学是所有量子引力理论的试金石。不管一个理论如何,它必须能解释记录黑洞历史的信息发生了什么。

科学家们花了二十年才找到一个解决方案。他们提出,存储在黑洞里的信息是与其表面积(二维)而不是其体积(三维)成正比。这就可以用量子引力理论解释了,因为一个三维空间可以在二维世界里不靠引力而重建——就像一个全息图。不久,人们发现被研究得多的量子引力理论,弦论,就是以全息的方式来解释。

利用全息这一说法,我们就可以在二维世界里不用引力来解释黑洞的蒸发,此处大部分量子力学的基本规则都适用。该过程是决定论的,只在用辐射解码黑洞历史时有少数瑕疵。所以全息这种说法告诉我们信息并没丢失在黑洞中,但是想要找到霍金理论中的错误却是十分困难的。

毛毛球还是防火墙?

不过依靠量子理论描述的黑洞到底是什么却很难说清楚。在2003年,Samir Mathur 提出了一种理论,黑洞实际上像是“毛毛球”,没有明确的边界(视界)。视界周围的量子涨落会记录黑洞历史的信息,这样Mathur的理论就解决了信息丢失的悖论。但是这一理论遭到了许多人的质疑,因为它意味着掉入黑洞的人会与爱因斯坦广义相对论所描述的掉入黑洞的人有着截然不同的经历。

广义相对论描述下的黑洞理论表明,一旦你走过了视界——黑洞的表面——你就会越陷越深。在这过程中,时间和空间都会被扭曲,直到它们到了“奇点”——在该点一切物理定律都不复存在。(尽管在现实中,你会在旅程一开始就被强烈的潮汐力撕碎,死亡)

但在Mathur的宇宙中,在模糊视界之后什么都没有。目前,一个相对立的量子引力理论的说法是任何掉入黑洞的人会撞上“防火墙”并随即被摧毁。这套防火墙理论一直被人批判(毛毛球理论也是如此),因为防火墙在视界上会和广义相对论的黑洞有着完全不同的现象。

掉进黑洞别怕你还可以活在全息图里

不过Mathur辩解道,对于一个外部观察者而言,一个掉入了毛毛球的人看起来和一个掉入爱因斯坦黑洞的人没有什么区别,尽管对于掉入黑洞的人来说体验是完全不同的。其他研究防火墙或毛毛球理论的人则认为这些辩解依赖于他举的例子的性质。Mathur用了一种非常特殊的毛毛球来详细解释他的观点。而这种特殊的毛毛球很可能与用来解释真实天体黑洞的毛毛球并不相同。

有关掉入黑洞的人究竟发生了什么的争论可能会持续相当长一段时间。关键不是去了解视界区域是否像全息图一样被重建——而是到底发生了什么。

关于作者:Marika Taylor,南安普顿大学理论力学教授。

(翻译:杨玉洁;审校:朱佳莲)

原文链接:

推荐阅读
图文聚焦