現在,你要跳入一個黑洞。如果你能想辦法活下來,等待著你的是什麽呢?
如果你想要回頭,最終你會去到哪裏,又會經曆怎樣動人心弦的故事呢?
黑洞通往何處?
理查德·马西曾经给出了一个简单的答案:“没人知道。”
注:理查德·马西教授为杜伦大学计算宇宙学研究所皇家学会的研究员
作爲杜倫大學計算宇宙學研究所皇家學會的研究員,馬西深知宇宙充滿了未解之謎。
而且他還有一個觀點:落入黑洞邊界其實就是跨入了未知世界,一旦掉進去,沒人能夠發條訊息回來。
在愛因斯坦的廣義相對論根據時空和引力的關聯預言出黑洞之後,人們知道黑洞源自大質量恒星死亡後遺留的小而致密的核心。
如果這個核心的質量超過太陽的3倍,在巨大的引力作用下它會發生坍縮,直至所有物質彙聚到一個點(也就是奇點),而這個奇點就是黑洞密度無限大的核心。
由此産生的黑洞有著巨大的引力,甚至連光都無法逃離它。
德國天文學家卡爾·史瓦西提出了“事件视界”的概念:一旦光线或物质越过事件视界,就永远无法逃脱了。
根據馬西的解釋,接近黑洞時,你的身體會因潮汐力作用被劇烈拉伸(也被稱爲“意大利面化”),最終到達奇點。
至于你會出現在另外什麽地方——比如黑洞另一面——的想法,看起來都只是天方夜譚。
如果是蟲洞呢?
多年來,科學家一直在探索,黑洞是否有可能成爲通向其他星系的蟲洞。有人甚至猜測,蟲洞可以通向另一個宇宙。
這種想法的産生已經有些時日了。早在1935年,愛因斯坦就與內森·罗森合作提出相关理论,认为宇宙中可能存在连接两个不同时空的隧道。
但直到20世紀80年代,這種理論才流行起來。當時,天體物理學家基普·索恩推动了一场讨论,主题就是物体是否能穿越虫洞。
但如果你看了基普·索恩关于虫洞的书籍,就会发现虫洞似乎并不存在。
索恩曾是好萊塢電影《星際穿越》的科學顧問,他在自己的著作《星際穿越中的科學》一書中寫道:“我們沒能在任何天體衰老的過程觀察到蟲洞的存在。”
索恩表示,穿越這些理論隧道的時空旅行很可能只存在于科幻小說中,根本沒有可靠證據能表明黑洞允許這樣的穿越。
然而問題是,我們沒辦法接近並親自觀察它們。我們甚至無法拍攝黑洞內部的任何照片——既然光線無法逃脫黑洞的巨大引力,那麽相機根本無法捕捉其中的影像。
目前的理論表明,任何越過事件視界的物體都會成爲黑洞的一部分。更重要的是,由于事件視界附近的時間也彎曲了,這一過程會變得極其緩慢,因此我們沒辦法很快得到答案。
“我認爲標准的故事答案是黑洞會通向時間的終結,” 哈佛大學天文學教授道格拉斯·芬克拜纳(Douglas Finkbeiner)說,“一個遙遠的觀察者無法看到自己的宇航員朋友是如何落入黑洞的。
由于引力的紅移效應,我們觀察到的接近事件視界的一切都會不斷變紅、變暗淡。但這位朋友最終會落入黑洞,去到一個超越‘永遠’的地方,無論那意味著什麽。”
那如果黑洞能夠通往星系的另一端或者另一個宇宙,那麽出口需要有與黑洞相反的東西。那會是白洞嗎?
俄羅斯宇宙學家伊戈爾·诺维科夫在1964年提出了白洞理論,他認爲一個黑洞連接著一個存在于過去的白洞。與黑洞相反,光和物質能夠離開白洞,但是無法進入。
科學家一直都在探索黑洞與白洞之間的潛在聯系。
2014年,物理學家卡洛·罗维利和哈尔·M·哈加德在一项发表于《物理学评论D》上的研究中阐述道:“有一个经典度量可满足有限时空区域之外的爱因斯坦方程,在那里物质坍缩成黑洞,然后又从白洞中出现。”
換句話說,黑洞吞下的所有物質都可能被抛出,而黑洞死亡後有可能變成白洞。
黑洞的坍縮並不會破壞其中的信息,相反它會經曆一次量子反彈,允許所有的信息逃逸。如果事實如此,這就能在一種程度上解釋斯蒂芬·霍金曾经提出的理论。
20世紀70年代,霍金探討了由于量子漲落而導致黑洞釋放粒子和輻射的可能性。
芬克拜納說:“霍金認爲黑洞的壽命是有限的。”1976年,霍金在《物理學評論D》上發表了相關論文。
根據他的計算,黑洞會因爲輻射而損失能量、收縮並最終消失。因爲霍金提出黑洞發射的輻射是隨機的,並且不包含任何落入其中的信息,黑洞的爆發將抹去大量信息。
這意味著霍金的想法與量子理論相矛盾,因爲量子理論認爲信息是守恒的。如果信息會丟失,那信息搜索就更加艱難,過去和未來也無從知曉。
霍金的想法導致了“黑洞信息悖論”的出現,這個悖論長期困擾著科學家。
有人說霍金根本是錯的,而霍金本人甚至也在2004年都柏林的學術會議上宣稱他犯了錯,並推翻了自己原來的想法。
所以,我們是否又回到了之前所說的概念,即黑洞吸收的信息都會通過白洞抛出?或許事實正是如此。
在2013年發表于《物理學評論快報》的一篇論文中,美國路易斯安那州立大學的若熱·普林和乌拉圭共和国大学的鲁道夫·甘宾基于圈量子引力理论对黑洞进行了研究。
他們發現越接近中心引力越大,但穿過中心後引力變弱,任何落入黑洞的事物都會在宇宙的另一端被抛出。這項研究支持了黑洞只是個入口的假說。
在這項研究中,奇點不存在,所以落入黑洞的事物不會因爲撞上奇點而毀滅。這也意味著,信息不會消失。
也許黑洞不通往任何地方
物理學家艾哈邁德·阿尔姆海里、唐纳德·马洛夫、约瑟夫·波欽斯基和詹姆斯·苏利仍然相信,基于霍金的理论可以有进一步的发现。
這4位科學家提出了AMPS火牆(或稱黑洞火牆)理論,根據他們的計算,量子力學可以將事件視界變成一堵巨大的火牆,任何接觸到它的東西都會立刻燃燒殆盡。
從這個意義上講,黑洞不通往任何地方,因爲甚至沒有東西可以進入黑洞。
然而,這一理論與愛因斯坦的廣義相對論相悖。根據相對論中的等價原理,穿過事件視界的物體(或人)不會受到極端引力的影響,可以輕松落入黑洞。
火牆理論可能遵循了目前宇宙中黑洞以外區域的物理學定律,但即便不違背相對論,它也破壞了量子場論,並暗示信息是可以丟失的。
讓我們的話題再次轉向霍金。在2014年發表的研究中,霍金回避了“事件視界”這一說法,而是提出引力坍縮會産生“表觀視界”,這意味著沒有任何東西會因視界而燃燒。
表觀視界會阻止光線離開黑洞中心,並持續“一段時間”。在霍金的新理論中,表觀視界只是暫時困住物質和能量,但最終,表觀視界會消失,並釋放物質、能量。
這一解釋支持了認爲信息不會消失的量子理論,如果能得到證明,這就意味著任何事物都可以從黑洞中逃脫。
霍金甚至更進一步,認爲黑洞或許並不存在。
他寫道:“黑洞的中心不存在奇點,黑洞應該被重新定義爲引力場的亞穩定束縛態。”由于引力作用,表觀視界內的物質會逐漸向內移動,但永遠不會坍縮到中心。
然而,任何被釋放出來的信息都不再是它們被吞噬前的樣子。
我們無法通過被釋放的信息還原它們進入時的狀態,這也會引起問題——尤其是當人們發現自己正置身于這樣一個令人驚慌的處境之中。他們再也沒法跟以前一樣了!
可以肯定的是,這個奇妙的謎團還會困擾科學家很久。羅維利和弗朗西絲卡·维多托最近提出,暗物质的成份之一可能是黑洞蒸发后的残留物。
2018年,霍金的一篇關于黑洞和“軟毛”的論文被發布。“軟毛”是黑洞事件視界上的光子,它們會儲存落入黑洞的物質的信息。
但由于事件視界的存在,這些信息從外部看來好像全部消失了。
這與物理學家約翰·阿奇博尔德·惠勒提出的无毛定理截然不同。
無毛定理的基礎是觀察者無法區分兩個不同的黑洞,因爲黑洞的性質僅由質量、角動量和電荷這3個物理量確定,而其他信息(毛發)全部消失了。
這個理論目前已經引起了科學家的討論,但是距離解答“黑洞通往何處”的問題,還有很長的路要走。