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解密人类掉入黑洞后果如何 被撕裂还是被烧焦?

http://www.kexue.com 2013-05-13 14:47:20 化石网  发表评论


如果一个宇航员掉进了黑洞?

  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。

  那堵让人颠三倒四的“火墙”

  几年后,马洛夫证明了任何量子-引力模型都要遵守相同法则,不管它是不是从弦理论构建的。“这一结合了马尔达西那和马洛夫的研究,让我有了转变。”马里兰大学量子物理学家泰德·雅各布说,他长期以来一直坚持信息损失论。2004年,霍金公开承认了他的错误,输给普利什基尔一本厚厚的棒球百科全书,结束了物理学界这场著名的赌约。

  这就是马尔达西那发现的意义:让大部分物理学家认为悖论已经解开,虽然还没人能解释霍金辐射怎样从黑洞中走漏了信息的。“我猜测,我们只是都在假设会有一个明确的答案。”普金斯基说。

  但事实并非如此。2012年初,当普金斯基和研究小组着手去厘清这模糊的一端时,他们很快碰到了另一个矛盾,这个矛盾让他们导出了致命的火墙。

  霍金曾指出,从黑洞中逃逸的任何粒子的量子态都是随机的,所以粒子不可能携带任何有用的信息。但到了上世纪90年代中期,萨斯坎德和其他一些物理学家意识到,如果粒子各自的状态有某种程度的“纠缠”的话,即对其中一个进行测量将立即影响另一个而不管它们之间相隔多远,那么辐射量子态中的信息就能以一个整体的形式被编码。

  但实际情况又是怎样的呢?对一个将被发射出去的粒子而言,与其纠缠的“另一半”将牺牲在黑洞里。如果萨斯坎德他们是对的,它还得跟所有在它之前发出的霍金辐射相纠缠。然而在量子力学中有一个严格的事实叫做“纠缠一对一”,即一个量子系统不可能同时与两个独立系统完全纠缠。

  为了躲开这一悖论,普金斯基与论文合著者们意识到,其中之一的纠缠关系变得难以为继,为了给霍金辐射编码,不得不放弃。他们决定剪掉逃逸的霍金粒子与其落难“伴侣”之间的联系,但这是有代价的。“这是一个狂暴的过程,就像打破分子键一样要释放出能量。”普金斯基说,这些能量是由于切断大量粒子对之间关联而产生的,因此十分巨大。“事件视界将变成一个大火圈,烧掉任何掉进去的东西。”但是反过来,又违反了等效原则以及它所认定的自由落体所感到的情景应该和飘在太空一样,如果是这样,则物体不可能以烧毁而告终。所以,他们先在arXiv网站发表了一篇论文,坦白地给物理学家们提出了一个两难选择:要么接受火墙的存在,这将打破相对论;要么接受黑洞信息会丢失,量子力学是错的。马洛夫说:“对我们来说,在这两难之选中选择火墙只是不那么疯狂而已。”

  这篇论文震惊了整个物理学界。雅各布森说:“把放弃爱因斯坦的等效性原则作为最佳选择,这简直是难以容忍的。”布索也同意,还补充说:“火墙凭空出现在太空中,这可能性并不比一堵砖墙凭空出现撞到人们脸上的可能性更大。”如果爱因斯坦的理论在事件视界不适用,宇宙学家们就不得不怀疑,它在其他地方能不能完全适用。

  普金斯基也承认,他们有可能犯下愚蠢的错误,所以他找到了全息理论奠基人之一的萨斯坎德,请他帮忙寻找疏漏的地方。“我的第一反应是他们弄错了,”萨斯坎德说,他还发表了一篇论文作为反驳,但经过深入思考后他很快又收回了这些言论。“我的第二反应是他们是对的,第三反应是他们还是错的,第四反应是他们又对了。”他笑着说,“这让我得了一个诨名叫‘悠悠’(the yo-yo),但大部分物理学家的反应跟我也差不多。”

  从那以后,在arXiv上讨论这个主题的文章超过了40篇,但迄今为止,还没人能在逻辑上找出他们有任何缺陷。“这真是一场美好的争论,这表明我们在对黑洞的理解上存在某种不一致的地方,”唐·佩吉说,他是霍金在上世纪70年代期间的合作伙伴,现在加拿大埃德蒙顿的艾伯塔大学,也是为解决这两难之选而提出创造性方案的成员之一。

  “火墙”依然存在 大家仍需努力

  据萨斯坎德说,大家最看好的一个方案是由美国普林斯顿大学量子物理学家丹尼尔·哈洛和加拿大麦吉尔大学计算机科学家帕得里克·海登共同提出的。他们的考虑是,如果那个宇航员真去测量的话,他能不能觉察到矛盾的存在。为了做到这一点,宇航员要首先对大部分向外发射的霍金辐射进行分析,然后再跳入黑洞检测落入其中的粒子。两人的计算显示,要对辐射加以分析是极其困难的,以至于在他分析完再跳进去之前黑洞就已经蒸发殆尽。“并没有基本法则来阻止宇航员不能测量矛盾,”哈洛说,“但实际上,这是不可能的。”

  而吉丁斯认为,火墙悖论需要一个根本性的解决方案。根据他的计算,如果是逃逸粒子离开事件视界一小段距离以后,外发的霍金辐射和落入黑洞的粒子之间的纠缠才被打破,那释放出的能量就会大大减少,并不会产生火焰墙。虽然这保护了等效原则,但却要修改部分量子法则。在欧洲粒子物理研究所的会议上,与会者都对吉丁斯的模型实验大感兴趣:该模型预测,当两个黑洞合并时,它们可能会在时空中形成特殊的波纹,而被地球上的引力波天文台探测到。

  此外还有一个方案能挽救等效原则,但由于争议太大而很少人敢去冒这个险:黑洞会有信息损失,在多年前那次打赌中霍金是对的,但却不幸过早地认输。事到如今形势又反了过来,在去年底斯坦福大学召开的关于黑洞火墙的专题讨论会上,正是跟霍金打赌的普利什基尔抛出了这一反面方案。不过反响甚微。“令人惊讶的是,人们并没有认真地思考这一可能性,好像这跟火墙一样疯狂。”普利什基尔说,尽管他本人补充了这一点,但在直觉上他仍认为信息是无损的。

  物理学家们不愿把霍金以前的赌约拿来旧事重提,这也是一个迹象,表面了人们对马尔达西那引力—量子理论词典的巨大尊敬,这似乎也证明了信息不会损失。“这是迄今为止对万有引力的最深刻理解,因为它联系到了量子领域。”普金斯基说,他比较了马尔达西那的结果和19世纪的单一理论发现,如与光、电、磁有关的理论。“如果火墙之争发生在上个世纪90年代初,我想可能会引发激烈的关于信息会不会损失的论辩,”布索说,“但是现在,没人想证明‘马尔达西那是错的’。”

  这让马尔达西那感到很荣幸,大部分物理学家都支持他而毫不隐晦地反对爱因斯坦,他觉得这有点不可能。“为了完全理解火墙悖论,我们可能还得充实一下词典,但却不必把它扔掉了。”

  迄今为止,唯一达成一致的是这一问题不会很快平息。普金斯基摆出了科学家们提出的所有想要“平息”火墙的方案,仔细考虑着他看到的其中的缺陷,最后得出结论说:“我很抱歉没人能推翻火墙,但是请继续努力。”

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