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掉入黑洞会怎样?被拉成“面条”,还是前往另一个宇宙?

发表于 2019-11-06 21:38:43    阅读 3256

现在,你已经准备好跳进黑洞了。如果你能找到生存的方法(尽管困难重重),还有什么在等着你呢?如果你想尽一切办法回头,你最终会去哪里,你会经历什么感人的故事?

正如理查德·梅西教授所说,所有这些问题都有一个简单的答案:“没人知道。”作为英国达勒姆大学计算宇宙学研究所皇家学会的研究员,马西知道宇宙充满了未解之谜。马尔西说:“坠入黑洞边界实际上是踏入了未知的世界——一旦坠入其中,没有人能发回信息。”。“它们会被巨大的引力撕成碎片,所以我不相信任何人在掉进黑洞后还能去别的地方。”

如果这个答案听起来令人失望,那也是意料之中的。在爱因斯坦的广义相对论根据时空和重力的相关性预测黑洞之后,人们知道黑洞起源于大质量恒星死亡后留下的小而致密的核心。如果这个核心的质量超过太阳的3倍,它将在巨大重力的作用下崩溃,直到所有的物质汇聚到一个点(即奇点),这个点就是黑洞密度无限的核心。

由此产生的黑洞引力如此之大,以至于光也无法从中逃逸。德国天文学家卡尔·史瓦西(Karl karl schwarzschild)提出了“事件视界”的概念:一旦光或物质越过事件视界,它就永远无法逃脱。根据玛西的解释,当接近黑洞时,你的身体会被潮汐力作用剧烈拉伸(也称为“意大利面条”),最终到达奇点。至于你会在哪里的想法,例如,在黑洞的另一边,这似乎只是一个寓言。

如果这是虫洞呢?

多年来,科学家们一直在探索黑洞是否会变成通向其他星系的虫洞。有人甚至推测虫洞可能会导致另一个宇宙。

这个想法已经存在了一段时间。早在1935年,爱因斯坦就和纳森·罗森一起提出了一个理论,即宇宙中可能存在连接两个不同时间和空间的隧道。但直到20世纪80年代,这一理论才开始流行。当时,天体物理学家基普·索恩推动了一场关于物体是否能穿过虫洞的讨论。

马西说:“小时候,我读过基普·索恩关于虫洞的畅销书,这让我对物理感兴趣。”然而,现在看来虫洞并不存在。

索恩是好莱坞电影《星际穿越》的科学顾问。在他的《星际科学》一书中,他写道:“我们没有观察到任何天体老化过程中虫洞的存在。”索恩说,穿越这些理论隧道的时空旅行可能只存在于科幻小说中,没有可靠的证据表明黑洞允许这种旅行。

然而,问题是我们不能亲自接近和观察他们。我们甚至不能拍摄黑洞内部的任何照片——因为光线无法逃脱黑洞的巨大引力,照相机根本无法捕捉图像。当前的理论表明,任何穿过视界的物体都将成为黑洞的一部分。更重要的是,随着事件视界附近的时间也弯曲,这个过程将变得极其缓慢,所以我们不能很快得到答案。

“我认为标准的故事答案是黑洞导致时间的终结,”哈佛大学天文学教授道格拉斯·芬克比纳说。“一个遥远的观察者看不到他的宇航员朋友是如何掉进黑洞的。由于重力的红移效应,我们在视界附近观察到的一切都会变得红色和暗淡。但是这个朋友最终会掉进黑洞,去一个“永远”以外的地方,不管那意味着什么。

也许黑洞可以导致白洞

诚然,如果一个黑洞可以通向银河系的另一端或另一个宇宙,那么出口需要与黑洞相反的东西。那是一个白色的洞吗?

俄罗斯宇宙学家伊戈尔·诺维科夫(Igor Novikov)在1964年提出了白洞理论。他认为黑洞与过去存在的白洞相连。与黑洞相反,光和物质可以离开白洞,但不能进入。

科学家们一直在探索黑洞和白洞之间的潜在联系。2014年,物理学家卡洛·洛厄尔和哈尔·休加德在《物理评论》上发表的一项研究中指出:“在有限的时空区域之外,有一个经典的度量标准满足爱因斯坦的方程,在那里物质塌陷成黑洞,然后从白洞中出现。”换句话说,所有被黑洞吞噬的物质都可能被抛出,黑洞在死后可能变成一个白洞。

黑洞的崩溃不会破坏其中的信息,相反,它会经历量子反弹,让所有的信息逃逸。如果是这样,它可以在某种程度上解释斯蒂芬·霍金的理论。20世纪70年代,霍金探索了黑洞由于量子波动释放粒子和辐射的可能性。

芬克比纳说:“霍金认为黑洞的寿命是有限的。”1976年,霍金在《物理评论》(Physics Review D)上发表了一篇相关论文,根据他的计算,黑洞会失去能量,收缩,最终由于辐射而消失。因为霍金提出黑洞发出的辐射是随机的,不包含任何落入其中的信息,所以黑洞的爆炸会抹去大量的信息。

这意味着霍金的想法与量子理论相冲突,量子理论认为信息是保守的。如果信息丢失,信息搜索将更加困难,过去和未来都将无从知晓。霍金的想法导致了长期困扰科学家的“黑洞信息悖论”的出现。有些人说霍金根本错了,霍金本人甚至在2004年都柏林学术会议上声称他犯了一个错误,推翻了他最初的想法。

因此,我们是否回到了前面讨论的概念,即黑洞吸收的信息将通过白洞被抛出?也许情况就是这样。在2013年发表于《物理评论快报》的一篇论文中,美国路易斯安那州立大学的豪尔赫·普林(Jorge Prin)和乌拉圭共和国大学的鲁道夫·甘宾(Rudolf Gambin)基于圆形量子引力理论研究了黑洞。他们发现离中心越近,引力就越大,但是穿过中心后,引力就越弱,任何落入黑洞的东西都会被扔出宇宙的另一端。这项研究支持黑洞只是入口的假设。在这项研究中,奇点是不存在的,所以落入黑洞的东西不会被奇点摧毁。这也意味着信息不会消失。

也许黑洞不会通向任何地方

然而,物理学家艾哈迈德·阿尔姆·海利(Ahmad alm Hailey)、唐纳德·马洛夫(Donald Malov)、约瑟夫·波钦斯基(Joseph Potchinsky)和詹姆斯·萨利(James Sully)仍然相信,基于霍金的理论,可以做出进一步的发现。这四位科学家提出了amps防火墙(或黑洞防火墙)理论。根据他们的计算,量子力学可以把事件视界变成一堵巨大的防火墙,任何与它接触的东西都会立即燃烧。从这个意义上说,黑洞不会通向任何地方,因为任何东西都不能进入黑洞。

然而,这个理论与爱因斯坦的广义相对论相矛盾。根据相对论的等效原理,穿过视界的物体(或人)不会受到极端重力的影响,很容易落入黑洞。防火墙理论(fire wall theory)可能遵循宇宙黑洞之外的当前物理定律,但即使它没有违反相对论,它也摧毁了量子场论,暗示信息可能会丢失。

潮汐崩塌的艺术想象。当恒星离超大质量黑洞太近时,黑洞的潮汐力会将它们撕裂。

黑洞充满了不确定性。

让我们再次转向霍金。在2014年发表的一项研究中,霍金回避了“事件视界”一词,并提出引力坍缩将产生一个“明显的视界”,这意味着没有什么会因为视界而燃烧。

表观地平线将阻止光线离开黑洞中心一段时间。在霍金的新理论中,表观视界只是暂时捕捉物质和能量,但最终,表观视界消失并释放物质和能量。这个解释支持量子理论,即信息不会消失。如果能被证明,这意味着任何东西都可以从黑洞中逃脱。

霍金走得更远,认为黑洞可能不存在。他写道:“黑洞中心没有奇点,它应该被重新定义为重力场的亚稳态。”由于重力,表面地平线上的物质将逐渐向内移动,但永远不会坍塌到中心。

然而,任何发布的信息都不再是它被消费之前的样子了。我们无法恢复他们通过发布的信息进入的状态,这也会导致问题——尤其是当人们发现自己处于如此可怕的境地时。他们不再像以前一样了!

可以肯定的是,这个奇妙的谜团将会困扰科学家很长一段时间。洛厄尔和弗朗切斯卡·维多最近提出暗物质的成分之一可能是黑洞蒸发的残留物。2018年,霍金关于黑洞和“软毛”的论文发表。

“软毛”是黑洞事件视界上的光子,它存储着关于落入黑洞的物质的信息。然而,由于事件视界的存在,所有这些信息似乎都从外面消失了。

这与物理学家约翰阿奇博尔德惠勒提出的无毛定理完全不同。无毛定理是基于这样一个事实,即观察者无法区分两个不同的黑洞,因为黑洞的性质仅由质量、角动量和电荷这三个物理量决定,而其他信息(毛发)则消失了。这个理论已经引起了科学家们的讨论,但是要解决“黑洞通向哪里”的问题还有很长的路要走。

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