落入黑洞一定会灰飞烟灭吗？冲入奇点或许能看看内部
http://www.newdu.com 2024/11/25 10:11:14 新浪科技 佚名 参加讨论
 物质穿越黑洞事件边界时，黑洞本身波澜不惊。 新浪科技讯 北京时间3月7日消息，据国外媒体报道，长时间以来，物理学家一直坚称人类不可能揭开黑洞之谜。任何物体一旦进入黑洞便一去不返，无法开展研究。少量物质和能量也许能够以“霍金辐射”的形式逃离黑洞的魔爪，但任何落入黑洞的物体都将从实体宇宙中消失不见。 现代物理有这样一条基本假设：任何物体只要落入黑洞，就无法再联系到它，也无法预测其未来情况。任何观察者都不可能在黑洞内部存活，甚至来不及瞥一眼四周，就会彻底湮灭。 然而，一群来自葡萄牙、加拿大、荷兰和美国的数学家和物理学家则试图在该假说中找到一个缺口。目前该研究规模还很小，但已经在学界激发了不少兴趣和相关研究。 研究人员在在1月17日发表在期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的论文中指出，在一些极端情况下，理论中的观测者能够穿越黑洞边界，且不会立即毁灭。假如你驾驶坚不可摧的宇宙飞船冲入这些奇点（即黑洞的物质和能量全部消失的点）的事件边界，也许还能活着看一眼黑洞内部的模样。这一理论如同在黑洞之谜上敲开了一道小小的裂隙。 要理解这对物理学家而言为何如此重要，首先要明白他们是如何看待宇宙的。 宇宙审查假说（cosmic censorship hypothesis）指出，黑洞边界如同一堵密不透风的墙，不可能观测其内部情况。该假说由数学家罗杰·潘洛斯（Roger Penrose）于1969年率先提出，后来史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）、基普·索恩（Kip Thorne）等人对该假说展开辩论。几十年来，该假说屡经修改，但始终未被列为正式理论。但对一些研究人员而言，它就像一种信仰，能够完美整合现代宇宙模型中一些尚未弄清的问题。 但此次新发表的论文认为，宇宙审查假说在这些特殊黑洞的边界区域无法成立。如果观察者能够突破可预测、可观测区域，深入黑洞中的神秘地带，就意味着物理学有望将未知变为已知。 宇宙：一座未来牢笼 物理学家希望宇宙能像钟表一样运行。设置好所有原始条件，把这颗恒星放在这里，那颗行星安在那里，再在那边角落里放一波能量，接下来就交由宇宙法则决定整个系统如何随时间变化。物理学家假定所有物质都遵循隐形的“轨道”运行，从一个目的地奔赴下一个目的地。虽然人类和超级计算机预测未来的能力有限，但物理学家一般假定，未来如何早有定数。就连古怪随机的量子力学，其实也并未违背这条根本性的物理学决定论。 “在量子力学范畴内，有些事情当然是无法由决定论预测的，比如原子何时会衰变等。”加州大学伯克利分校数学家、克雷数学研究所的助理研究员皮特·辛茨（Peter Hintz）在采访中表示，“但我们可以预测量子可能衰变时间（和不可能衰变时间）的概率分布情况。” 从量子力学来看，宇宙由众多不断变化、相互交织的概率分布组成，这无疑比牛顿、甚至爱因斯坦构建的世界观复杂得多，也令人困惑得多。但它本质上仍未脱离决定论。世间万物都被禁锢在自己命定的轨道上，斗转星移，始终不变。 黑洞：或打破牢笼 决定论唯一失效的地方便是奇点内部。如果将足够的质量和能量压缩在一起、使其坍缩成为一点，爱因斯坦法则便会失灵。突然之间，物理法则开始使不可能成为可能，使有限的答案成为“无限”。 奇点处的引力有多大？无穷大。奇点处的时空弯曲度有多高？无穷高。 在这种情况下，我们熟知的物理学可谓束手无策。 无论奇点内部会发生什么，现代物理学都无力解释。而根据潘洛斯对宇宙审查假说的解释，我们所在宇宙中的科学家永远无法获知真相。时空的结构决定了我们注定与事实无缘：所有已知的奇点要么被封锁在黑洞事件边界内部，要么隐藏在宇宙大爆炸之初那段不为人知的历史中。 灰飞烟灭 虽说今年1月17号发表的那篇论文只是冰山一角，但它捅开的裂隙很可能越变越宽，直至颠覆整个宇宙审查假说。 辛茨和同事们指出，在特定情况下，黑洞周围的“死亡之墙”的确有可能瓦解。 在科学家探讨黑洞边界附近区域的宇宙审查假说应用情况时，讨论重点之一便是能量在接近奇点时如何表现。正统观点认为，时间在黑洞附近会放慢速度（如果你看过《星际穿越》，你肯定明白这一点）。如果在一名宇航员朝事件边界坠落的过程中向其发射一束白光，从宇航员的视角来看，时间的膨胀效应便会导致光线变化。对宇航员来说，时间流逝得越来越慢。但光源所处位置不变，光线一波波抵达的速度也不变。这样一来，每道光波波峰到达宇航员所在处的时间便似乎越来越快。这些电磁辐射（可见光也是其中一种）的波峰传递至宇航员处的速度越来越快，也就意味着在宇航员看来，波的频率不断加快。随着频率增加，光线相对宇航员发生蓝移，每秒携带的能量便越来越多。 在宇航员看来，这道温和的闪光不久便会变成一束炽热的伽马辐射。因此，就在奇点使空间高度扭曲、无从辨认的边界上，时间似乎完全静止，频率激增至无限高，能量也趋于无穷大，绝对不容生命存活。 这是可理解的物理范畴的最后防线，就像神话中看守地狱之门的三头犬一样，防线背后便是无穷无尽的虚空。它仿佛在警告人们：只要来到这里，你就会彻底湮灭。 带电黑洞 然而，事实也许未必如此。按照辛茨和同事们建立的模型，上述能量蓝移之墙亦有消失的可能。 “在我们研究的模型中，宇宙中只有一个黑洞，并且宇宙已处于演化末期，我等其余物质早已灰飞烟灭，或者消失在了遥远的奇点中。”辛茨解释道，“这是一个漆黑、荒凉的世界。” 而他们描述的这个黑洞也不同寻常，带有很强的电磁电荷。 正常情况下，强带电粒子总会相互吸引、然后互相抵消。世界上强电荷有很多，例如用气球摩擦头发后、头发就会带上电荷。但大型物体所带电荷总能互相抵消，使总电荷为零。因此辛茨指出，他们此次研究的黑洞不太可能存在于真实宇宙之中。 不过，物理学家还是会研究带电黑洞，因为它们和快速旋转的黑洞非常类似。只不过后者虽然存在，却难以进行计算。 “电荷就类似于角动量。”辛茨指出。两者并不完全相同，但效果相似，因此物理学家有时在研究黑洞时会将两者进行对换。 结果发现，当黑洞所带电荷足够强时，另一种效应便会胜过蓝移效应，也许能拯救上面那位倒霉宇航员的生命：能量在接近黑洞时会逐渐衰减，而在该研究中，能量衰减的速度竟然超过了蓝移速度。因此能量不会在黑洞边界附近激增至无穷大，而是恰好相反，在边界处逐渐消逝。 “如果你在越过事件边界之后还能侥幸存活，决定论就会不攻自破，因为你无法预测此后会发生什么。”辛茨说道。 爆炸效应 一石激起千层浪。该理论出现后，迅速吸引了大量后续研究。 1月29日，另一支数学家和物理学家团队在网站arXiv上发表论文，目前正等待同行评审。他们在论文中研究了同一个问题，只不过研究对象是更常见、也更难建模的快速旋转黑洞。 他们发现，如果没有辛茨等人设想的“带电黑洞”这一极端条件，宇宙审查假说仍然完整有效。在他们创建的模型中，能量束接近奇点时仍然会衰减，但速度不够快，无法阻止致命的蓝移效应。在现实与虚无的边界，仍可能燃起炼狱般的大火。 辛茨强调，他和同事们构建的宇宙模型“离现实相去甚远”。但此类抽象研究能够在人们广泛接受的现实概念中打开缺口，以实验物理无法企及的方式，探索全新的研究领域。 “对于黑洞的内部情况，很难从外部获取确凿的证据。”辛茨指出。 但此次研究说明，不管我们有没有这个眼福，宇宙中也许总有某种东西能一瞥黑洞内部的真相。（叶子） (责任编辑：admin) |