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宇航员掉进黑洞会怎样?物理学两大支柱对立面  

来自惊鸿岂止一现   2013-05-19 06:41:33|  分类: 宇宙奥秘 |举报 |字号 订阅

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宇航员掉进黑洞会怎样?物理学两大支柱对立面





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宇航员掉进黑洞会怎样?物理学两大支柱对立面



 

15955633029;1148631378; xzyggyj@163.com

宇航员掉进黑洞会怎样?物理学两大支柱对立面
 来源:科技日报 


 

 

 

信息悖论——掉进黑洞的物质会被挤压到黑洞那无限致密的核心去,但它所携带的信息会怎样呢?以下有两种情景的解释:

  信息消失(左):当黑洞蒸发后,它所携带的所有信息会随之消失。根据量子效应,真空中充满了粒子—反粒子对,二者互相关联。通常情况下,粒子—反粒子对出现后瞬间即湮灭,但如果这对粒子和反粒子是出现在黑洞的事件视界,其中一个就会掉进黑洞,而另一个会以霍金辐射的形式向外发出。“遇难”粒子以负能量被吸入,黑洞由此而损失质量,如果没有普通物质落进去,黑洞最终将蒸发殆尽。黑洞中心是一个无限小且无限致密的奇点,却并不包含形成黑洞的物质信息。

  火墙(右):从黑洞辐射出来的所有粒子之间具有量子相关性,这些相关粒子携带着信息。辐射出的粒子与落入黑洞的粒子之间要打破关联性,会释放出巨大能量而在黑洞周围形成一圈火墙。即使黑洞蒸发完之后,由于两个粒子之间的关联性,“逃逸”粒子也包含了“落难”粒子的所有信息。

  掉进黑洞的宇航员会被扯成碎片还是被烧焦?这一问题从2012年夏天起就成了理论物理学界的争论焦点,围绕相关主题发表的文章超过了40篇,至今没有结论。因为它把物理学的两大支柱——广义相对论的等效原理和量子力学直接摆在了对立面。

  如果一个宇航员掉进了黑洞

  2012年3月,美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校卡弗里理论物理研究所的弦理论学家约瑟夫·普金斯基开始思考“自杀”的问题——以数学形式进行的思想实验:如果一个宇航员掉进黑洞会发生什么情况?很显然他会死,但究竟怎么个死法呢?

  按照当时公认的理论,最初他不会感到有任何特别,即使在他落到黑洞的事件视界时。事件视界是一个看不见的界限,在界限以内没有任何东西能逃离黑洞的吸引。但最终,几小时、几天或几个星期后,如果黑洞足够大,他会开始觉察到拉着他脚的重力比拉着他头的重力更强大,这种吸引力拖着他无情地向下落,重力差会迅速加大而将他撕裂,最终他的遗体会被扯得粉碎而落入黑洞那无限致密核心。

  普金斯基和他的两个学生艾哈迈德·艾姆哈里、詹姆斯·萨利,加上该校的另一位弦理论学家唐纳德·马洛夫一起,对这一事件进行了重新计算。根据他们的计算,却呈现出完全不同的另一番场景:量子效应会把事件视界变成沸腾的粒子大漩涡,任何东西掉进去都会撞到一面火焰墙上而被瞬间烤焦。

  研究小组在去年7月发表了他们的计算结果,震动了整个物理学界:因为这面火墙违反了基本的物理学法则——等效性原理。等效原理即引力质量和惯性质量等效,在任何一个时空点上都可以选取适当的参考系,使物质的运动方程中不再含有引力项,即引力可以局部地消除。按照这一原理,宇航员掉进万有引力场——即便是像黑洞那么强大的引力场时,他所看到的实际景象和飘在太空的观察者所看到的是一样的。等效原理最早在一个世纪前由阿尔伯特·爱因斯坦清晰地提出,并作为他《广义相对论》的基础。如果等效原理不成立,爱因斯坦的理论框架也将瓦解。

  普金斯基等四人也深知这一推论可能导致的后果,所以还提出了另一种备选结局:没有形成火墙。但这种解释的代价同样巨大,他们不得不牺牲量子力学,这是描述亚原子粒子之间相互作用的理论法则,也是物理学的另一根支柱。

  这一结果激起了一股研究火墙热潮,物理学家们纷纷抛出各种方案试图打破僵局,但还没有一篇论文能解释得让所有人都满意。面对这种状况,圣芭芭拉分校的量子物理学家斯蒂芬·吉丁斯说这是“一场物理学基础的危机,需要一次革命才能解决问题。”

  上个月,物理学界研究黑洞的专家们齐聚在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理研究所(CERN)召开会议,面对面地讨论了这一问题,希望能打开一条通向“量子引力”统一理论的新途径,将自然界所有的基本力囊括其中——或许这将成为物理学家们几十年来未曾有过的荣耀。

  火墙的想法“动摇了大部分人所相信的黑洞理论的基础”,加利福尼亚大学伯克利分校弦理论学家拉斐尔·布索在会议上说,“从根本上说,它把量子力学放在了广义相对论的敌对面,却没给我们留下任何线索:下一步该朝哪个方向走?”

  普利什基尔与霍金的“赌局”

  说到“火墙危机”的根源,还要追溯到1974年。当时英国剑桥大学的物理学家斯蒂芬·霍金证明,量子效应会使黑洞在达到一定温度后变得孤立,然后黑洞会缓慢地发出热辐射—光子及其他粒子—质量逐渐减少,直到完全蒸发掉。

  但这些粒子并不是火墙,落入事件视界的宇航员不会注意到这种辐射,这是它与相对论所描述场景之间的细微差别。但霍金的结果依然令人震惊,因为按照广义相对论方程的描述,黑洞只会吞噬质量而增长,并不会蒸发。

  基本上,霍金的争论进入到了对量子领域的观察,“空”间并非是真空,在亚微观的尺度上,它处于一种持续不断的动荡涨落状态:成对的粒子和反粒子不断出现又迅速湮灭。只有在非常精微的实验中,才能观察到这种亚显微程度的混乱。霍金意识到,当一对粒子—反粒子出现在黑洞的事件视界时,其中一个会落入黑洞,使它们不能再结合湮灭,幸存的那个粒子会以辐射形式向外发出,为平衡向外发出粒子的正能量,被吸入的粒子会以负能量进入——这是量子法则所允许的,负能量将从黑洞的质量里扣除,从而使黑洞缩小。

  霍金的原始分析已经过提炼并由许多研究人员加以扩展,其结论现在已被广为接受。但这也带来了令人不安的现实,黑洞辐射对量子力学理论提出了质疑。

  量子力学认为信息不会消灭。从理论上说,通过检测从黑洞发出辐射的量子态,就可能获得掉进去的那个粒子的一切信息。但霍金指出事情没那么简单:发出辐射是随机的。掷一公斤的石头或一公斤计算机芯片结果都一样,看着黑洞直到它死亡,也没办法知道它是怎么形成的或有什么东西落到了上面。

  这称为黑洞信息悖论。对这一问题,物理学家们分成两个阵营:一派以霍金为代表,认为在黑洞死亡时信息真的会消失,如果这与量子法则相矛盾,则需另建更好的量子理论。另一派以加利福尼亚理工学院的量子物理学家约翰·普利什基尔为代表,则坚持站在量子力学这一方。“有一段时间,我很认真地试图重新构建一个包含信息损失的替代理论。” 普利什基尔说,“但我找不到任何有意义的东西,没人能找到。”

  这一僵局持续了二十年,直到1997年才有答案,这个答案现已众所周知——当时普利什基尔与霍金公开打赌而获胜,他认为信息不会丢失,因此从霍金那里赢了一本棒球百科全书。但在当年,打破这一僵局全靠哈佛大学物理学家胡安·马尔达西那的发现。

  马尔达西那的发现建立在一个更早期观点上,即宇宙中的任何三维区域都可以用二维边界上的信息编码描述出来,这和激光以二维全息图的方式给三维景象编码非常类似。斯坦福大学弦理论学家,也是全息理论创世人之一的莱昂纳多·萨斯坎德说:“我们用‘全息’这个词作为一种隐喻。但经过更多数学推衍后,它似乎拥有了更实际的意义:宇宙是信息在边界上的投影。”

  马尔达西那提出的是一个关于全息理论的具体的数学方程,同时借鉴了超弦理论的观点,假设基本粒子是由极微小的能量环振动而形成。他的模型描述了一个只受万有引力统治的、包含了弦和黑洞的三维宇宙,经由一个二维面反射,其中的元素粒子和场域遵循普遍量子法则而无需万有引力。住在此三维空间的居民永远也看不到这个界面,因为它在无限遥远的地方。但这并不重要:三维宇宙中发生的任何事都可以用二维宇宙中的方程同样完好地表达出来,反过来也一样。“我发现了一个数学词典,能让你在这两个世界的‘语言’之间来回转变。” 马尔达西那解释说。

  这意味着,即使是一个三维黑洞的蒸发,也能用二维世界的语言来描述,在这里没有万有引力,只以量子法则为最高准则,这里的信息也永远不会丢失。如果这里的信息能被保存,那也已订购能被保存于三维世界中。但出于某种原因,信息却在从黑洞中逸失。

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