译言网 | 霍金新理论:黑洞根本不存在!(图)
在多数物理学家中,如果有谁胆敢写一篇论文声称“黑洞根本不存在”,哪怕声称不是以我们想象的那种方式存在的,那么人们很可能就会把他当作思维怪诞的人,对其理论不屑一顾。然而,当重新解释宇宙黑洞的呼声来自斯蒂芬·霍金之时,这就需要引起注意了。
英国剑桥大学的物理学家霍金是当代黑洞理论的创始人之一,在一篇发布于网上的论文中,他摈弃了有关事件视界的观点。事件视界被认为是每个黑洞周围不可见的边界,超越这一边界进入黑洞之后,任何物质,甚至连光也无法逃脱。
但是,霍金提出这个激进的观点是一种“表观视界”,比事件视界要温和得多。表观视界只是临时地囚禁物质和能量,尽管在形态上会遭到较大程度的扭曲,但最终会将它们释放。
“任何物质都不可能逃脱黑洞,”霍金告诉《自然》杂志的记者说,“但是根据量子理论,能量和信息是能够逃脱黑洞的。”霍金承认,要想对这个过程进行充分的解释,就需要通过一种理论,将万有引力和自然界中其他的基本力完美地结合起来。这种结合是物理学家们苦苦寻求的目标,然而在将近一个世纪的时间里,该目标仍未实现。霍金说:“正确的解决方案仍然是个谜。”
1月22日,霍金将自己的论文发布在arXiv网站的预印本服务器上,他不经意地将论文题目定为《黑洞的信息存储与天气预测》,该论文还需要经过同行专家的审视。2013年8月,霍金通过讯佳普(Skype)为加州圣塔巴巴拉市卡弗里理论物理研究所的一次会议作了一场报告,这篇论文是以该报告为基础而写出来的。
霍金的新论文是为了解释一个被称为“黑洞火墙”的悖论,该理论是由卡弗里理论物理研究所的约瑟夫·布钦斯基及同事发现的,困惑了物理学家近两年的时间。
在一次思想实验中,研究人员问及这个情况:如果一个航天员不幸落入黑洞中,会发生什么?
在1915年年底,爱因斯坦发表了广义相对论之后不到一个月,德国天文学家卡尔·史瓦西首先提出了“事件视界”的概念,这是通过广义相对论计算之后所得出的直接结果。在这种情况下,物理学家们原来一直认为:那位航天员会心情愉快地通过事件视界,而意识不到即刻来临的毁灭,然后被逐渐地向内拉伸,一路拉伸,就像意大利面条似的,最后在“奇点”处灰飞烟灭。奇点是黑洞中一个假想的核心,具有无限高的密度。
可是仔细分析了该情况之后,约瑟夫·布钦斯基的研究小组吃惊地意识到:量子力学定律在小尺度范围内控制粒子的运动,这些定律会完全改变这种情况。研究人员称:事实上,根据量子理论,事件视界一定会转化成为一个高能区,或者称之为“火墙”,火墙会将航天员烤焦。
这个结论是令人吃惊的,原因是:尽管火墙论遵循量子理论的定律,但是它与爱因斯坦的广义相对论是相悖的。根据广义相对论,一个做自由落体运动的人应该遵循物理定律,不管是落入黑洞中还是飘浮在空旷的星系空间,这些定律在宇宙中的任何地方都是相同的。对于爱因斯坦来讲,事件视界应该是一个很普通的地方。
现在,霍金又提出了一种格外简单的情况。量子力学和广义相对论仍然无懈可击,只是黑洞并不存在起火的视界。霍金的主张关键在于,黑洞周围的量子效应会引起时空产生疯狂的波动,不会存在明显的界面。
在事件视界的问题上,霍金援引了“表观视界”的概念。表观视界是一种表面,企图从黑洞核心逃逸的光线将会沿着该表面暂停下来。在广义相对论中,对于一个不变的黑洞来说,事件视界和表观视界是一回事,因为企图从黑洞内部逃出的光线最远只能到达事件视界处,而且将在此处受阻,就好像跑步者被卡在跑步机上一样。
然而从理论上来讲,是可以将这两种视界区别开来的:如果黑洞吞没较多的物质,那么其事件视界将会膨胀,变得比表观视界更大。
相反,霍金在二十世纪七十年代还曾经证明,黑洞可以慢慢地收缩,喷射出所谓的“霍金辐射”。从理论上来说,在这种情况下,事件视界会变得比表观视界更小。霍金新提出的观点是,表观视界才是真正的边界。“光也无法逃逸到无限的空间中,这就是黑洞的机制。从这个意义上来讲,事件视界的缺失意味着黑洞根本不存在,”霍金写道。
“霍金描绘的这幅画面听起来是合乎情理的,”加拿大埃德蒙顿市阿尔伯塔大学物理学家兼黑洞研究专家唐·佩奇说,“你会说这有些太激进了,竟然提出不存在事件视界的观点。但是,那些都是具有高度量子效应的环境,就连时空到底是什么也没有一个明确的解释,更不用说一个被划定为事件视界的确切区域是否存在的问题了。”在二十世纪七十年代的研究中,佩奇是霍金的合作者。
佩奇接受了霍金提出的观点——有可能存在没有事件视界的黑洞,但是他怀疑仅凭这一点仍不足以超越火墙悖论。佩奇警告说:即使表观视界短暂存在,也很可能会引起类似事件视界所导致的问题。
跟事件视界不同,表观视界最终会消失。佩奇指出:霍金正在打开一扇极端设想的大门——从根本上来讲,任何物质都可以逃脱黑洞的束缚。尽管霍金在论文中没有具体说明表观视界到底会如何消失,但是据佩奇推测,当表观视界缩小到一定程度的时候,量子力学和万有引力两种效应联合起作用,表观视界可能会真的消失。到那时,被困在黑洞里的物质,不管是什么,都会被释放出去,但原有的形态不复存在。
如果霍金的理论是正确的,那么甚至有可能连黑洞核心处的奇点也不存在。相反,物质将会被暂时地阻拦在表观视界之内,表观视界则在黑洞引力的作用下逐渐地向内部移动,但是永远也不会到达中心部位。这种有关物质的信息不会被完全摧毁,而会被搞得极其杂乱,当随着霍金辐射释放出去的时候,该物质所呈现出形态会大不相同。最终,要想了解被吞没的物体曾经是什么,几乎是不可能的。
“这会比企图通过一本书的灰烬来恢复书的原貌更加困难,”佩奇说。在论文中,霍金将这种情况比作提前预报天气:从理论上来讲可以做得到,但实际上太难做到精确了。
然而,对于“宇宙中可能存在没有事件视界的黑洞”这一观点,布钦斯基持有怀疑态度。他说:在宇宙中,清除事件视界所需的那种剧烈波动太少见了。“在爱因斯坦的引力论中,黑洞的视界跟空间中的任何其他区域没有多大的不同,”布钦斯基说,“在自身周围的区域中,我们从未看到过时空的波动,这种现象在大尺度范围内简直是太罕见了!”
霍金以前的学生、加州大学伯克利分校的理论物理学家拉斐尔·布索称,这篇最新的论文稿强调了这一点:物理学家们发现,可能存在火墙的论调跟物理学原理是格格不入的。然而,布索对于霍金提出的方案也保持谨慎态度。“从某些方面来讲,随处都可以逃出黑洞的观点甚至比存在火墙的观点更加激进、更易招来质疑,”布索说,“但是事实上,霍金最初发表有关黑洞和信息的论文距今已有40年的历史,而我们目前仍然在讨论这些问题,这恰恰说明了那些论文极具重要性。
”
