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霍金自我否定称黑洞不存在:所有物质均可逃脱
转自:新浪科技 时间:2014年1月27日19:31

如果假设现代物理学的两大基石:广义相对论和量子力学都正确,那么必须重新给定黑洞边界的清晰定义。近日英国著名物理学家霍金对此进行了尝试。他指出,传统定义下的黑洞可能是不存在的  如果假设现代物理学的两大基石:广义相对论和量子力学都正确,那么必须重新给定黑洞边界的清晰定义。近日英国著名物理学家霍金对此进行了尝试。他指出,传统定义下的黑洞可能是不存在的

  新浪科技讯 北京时间1月26日消息,据英国《自然》杂志报道,假如有一名物理学家发表一篇文章宣称黑洞其实是不存在的,至少按照我们平常的定义下是不存在的,那么他一定会被认为是疯了。但如果这个人是史蒂芬·霍金,那么人们大概就要认真的对待这个问题了。作为现代黑洞理论的创建人之一,近日这位英国剑桥大学的著名物理学家在线发表了一篇论文,探讨了有关黑洞“事件边界”(event horizon)的问题,即黑洞看不见的实际边界,物质一旦越过这一边界就将无法逃脱,即便是光线也不行。

  取而代之的,霍金提出了一个新的理论,即一个更加“温和”的“视边界”(apparent horizon),这一边界只会暂时性地困住物质和能量,但最终会释放它们。

  霍金对《自然》杂志表示:“根据经典黑洞理论,没有任何物质能逃离黑洞。”然而量子理论则允许能量和信息逃离黑洞。而要想全面解释这一过程,这位物理学家承认那将需要一个新的理论架构,在其中统一引力和自然界的其它基本力。但这个问题已经至少困扰了物理学家们长达一个世纪。霍金表示:“到目前为止这个问题仍然没有解决。”

  霍金于1月22日在arXiv网站在线发表了自己的文章,他取了一个非常诡异的论文标题:《信息保持与黑洞天气预报》(Information preservation and weather forecasting for black holes),接下来这篇论文还必须等待通过同行评审才能被正式认可。这篇文章撰写的基础是2013年8月份在美国加州圣巴巴拉卡维利理论物理研究所召开的一次会议,在那次会议上,霍金通过Skype软件远程参与并发表了讲话。

  解决防火墙悖论

  霍金的这项工作目的是想尝试解决所谓的“黑洞防火墙悖论”。在过去的两年多来,这个问题一直困扰着物理学家。它最早是由卡维利研究所的理论物理学家约瑟夫·波钦斯基(Joseph Polchinski)和同事们提出来的。

  在一次思想实验中,波钦斯基想象如果有一名不幸的宇航员落入黑洞时将会发生什么事情。事件边界是爱因斯坦广义相对论下自然导出的数学结果,其最早是由德国天文学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)在1915年写给爱因斯坦的一份信件中给出的,当时距离爱因斯坦发表其广义相对论还不到1个月。根据这一理论,宇航员在经过事件边界时将浑然不知,他会继续下降,直到开始感受到引力将其身体拉长——所谓的“意大利面化”,并最终抵达黑洞的核心——奇点,粉身碎骨。所谓奇点是理论上认为存在的黑洞核心体积无穷小,密度无限大的一个奇特区域。

  然而,当波钦斯基仔细审视这一情景时,他和研究组发现,如果考虑量子理论原理,那么这里的情景可能将会被完全颠覆。量子论被认为是控制着微观粒子运动行为的物理理论。他们认为,根据量子理论,黑洞的事件边界应当是一个剧烈的高能区域,或者可以将其视作黑洞的“防火墙”,它会将穿过这一区域的宇航员“焚烧”。

  这一就产生了问题——尽管黑洞防火墙理论遵循了量子理论,但它与爱因斯坦的广义相对论不尽吻合。根据广义相对论,这名正在经历自由落体的宇航员应当会感受到与在宇宙其它区域完全相同的物理学效应,不管他是正在向一个黑洞下落,还是他正漂浮在空旷的星系空间里。根据爱因斯坦的理论,黑洞的所谓事件边界应当是一个“不那么显眼”的区域。

  超越边界

  现在,霍金提出了第三种理论,这是一种新的尝试。根据这一理论,量子论和广义相对论仍然保持各自的正确性,但霍金的理论认为黑洞不存在“放火墙”一般的事件边界,因为黑洞的引力导致其附近的时空剧烈震荡,因而无法构成一个分明的边界。

  取而代之的,霍金提出一个所谓“视边界”的名词,并将其定义为光线无法从中逃逸的界面。根据广义相对论,对于一个不发生变化的稳定黑洞,这样的两个边界是相同的,因为试图从黑洞内部向外逃逸的光线最终只能抵达事件边界,此后就无法再继续往前,就像人在跑步机上奔跑。但理论上看,这两个边界定义也有可能不出现重合。条件是如果黑洞正不断吞噬新的物质,此时其事件边界将会不断扩张,使其比“视边界”的范围更大。

  相反的,在上世纪1970年代,霍金曾经提出黑洞会“蒸发”的观点,即通过所谓“霍金辐射”的方式散失能量并不断收缩。在这种情况下,理论上说事件边界将会逐渐缩小到比视边界更小的范围。而此次霍金的最新理论认为这一视边界应当被作为是黑洞的真实边界。在论文中,霍金写道:“没有事件边界就意味着不存在黑洞——如果我们对黑洞的定义是光线永远无法从中逃脱的话。”

  唐·佩吉(Don Page)是加拿大艾伯塔大学物理学家,黑洞研究专家,他曾经在上世纪70年代与霍金合作开展研究。他说:“霍金教授给出的图景看起来是合理的。可以说直接否定事件边界的存在是非常大胆的。但这一区域是高度的量子情景,甚至对于时空的定义都还存在一些模糊地带,更不要说去定义一个精确分明的事件边界了。”

  尽管佩吉能够接受霍金所提出的有关一个不存在事件边界的黑洞理论,但他对于这一理论是否就能够解决防火墙悖论心存疑虑。他指出,对于霍金所提出的“视边界”设想,哪怕它只是存在一瞬间,也会造成和先前事件边界同样的问题。

  但和事件边界不同,视边界会最终消失。佩吉指出,霍金的理论正在开启一扇大门,这里是一种看起来非常极端的观点,即:理论上任何物体都可以从黑洞中逃脱。尽管霍金在他的论文中没有明确指出其所谓“视边界”最终将会以何种方式消失,但佩吉猜想应当是这样的情形,即当其收缩到一定的程度,此时来自引力和量子理论的效应得以相互调和,此时视边界就会消失。那时,此前黑洞中被困住的所有东西都将会被释放出去——尽管它们可能早已经面目全非。

  如果霍金是正确的,那么黑洞的核心甚至也可能并不存在所谓的奇点。相反,物质只会被暂时性的困在黑洞视边界后方,并在黑洞引力作用下不断向下掉落,但永远不会抵达其核心并被压碎。有关这些物质的信息也不会被毁灭,但会被完全搅乱,以至于当其最终被通过霍金辐射的形式再次释放出去时,这些信息已经面目全非,几乎不可能再解译出其当初的模样。佩吉表示:“这简直比你想从已经烧成灰的书本中恢复上面写的内容还要困难。”在他的论文中,霍金则将其比作对天气的提前预报——从理论上看是可能的,但实际上你永远无法在很高的精度上实现这一点。

  然而,波钦斯基则对于自然界中能否存在不拥有事件边界的黑洞感到怀疑。他认为霍金所描述的那种由于剧烈的震荡而导致事件边界无法存在的情况在宇宙中是极其罕见的。他说:“根据爱因斯坦的理论,黑洞的边界与空间中的其它区域没有太大的差异。我们从未在我们周围的空间中观察到时空震荡现象,从大尺度上来看,这种情况实在是非常罕见的。”

  拉斐尔·博索(Raphael Bousso)是美国加州大学伯克利分校的理论物理学家,之前也曾经是霍金的学生,他指出,霍金的这项研究反映出物理学家们是多么憎恶“黑洞防火墙”的存在。但与此同时他对于霍金的这一理论本身则持谨慎态度,他说:“霍金的理论认为不存在一个分明的点,用以划分你无法从黑洞逃脱的区域范围,但这一观点本身比防火墙的存在似乎更加激进,让人产生疑问。”他表示:“但有一项事实是,在霍金发表其第一篇有关黑洞和信息的论文之后40多年,我们仍然还在对这一问题探讨不休,这一点本身就足以证明其巨大的影响力。”

(编辑:万凯敏)

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