投递人 itwriter 发布于 2019-12-22 07:48
撰文：David Crookes
现在，你准备好要跳入一个黑洞。如果你能想办法活下来（尽管这困难重重），等待着你的是什么呢？如果你想方设法地要回头，最终你会去到哪里，又会经历怎样动人心弦的故事呢？
就像理查德·马西（Richard Massey）教授所说的那样，所有这些问题都有一个简单的答案：“没人知道。” 作为杜伦大学计算宇宙学研究所皇家学会的研究员，马西深知宇宙充满了未解之谜。“落入黑洞边界其实就是跨入了未知世界——一旦掉进去，没人能够发条讯息回来，”马西说，“他们会被巨大的引力撕成碎片，所以我不相信有人掉进黑洞之后，还能去别的什么地方。
如果这个答案听起来令人失望，这也是意料之中的。在爱因斯坦的广义相对论根据时空和引力的关联预言出黑洞之后，人们知道黑洞源自大质量恒星死亡后遗留的小而致密的核心。如果这个核心的质量超过太阳的 3 倍，在巨大的引力作用下它会发生坍缩，直至所有物质汇聚到一个点（也就是奇点），而这个奇点就是黑洞密度无限大的核心。
由此产生的黑洞有着巨大的引力，甚至连光都无法逃离它。德国天文学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）提出了“事件视界”（event horizon）的概念：一旦光线或物质越过事件视界，就永远无法逃脱了。根据马西的解释，接近黑洞时，你的身体会因潮汐力作用被剧烈拉伸（也被称为“意大利面化”），最终到达奇点。至于你会出现在另外什么地方——比如黑洞另一面——的想法，看起来都只是天方夜谭。
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如果是虫洞呢？
多年来，科学家一直在探索，黑洞是否有可能成为通向其他星系的虫洞。有人甚至猜测，虫洞可以通向另一个宇宙。
这种想法的产生已经有些时日了。早在 1935 年，爱因斯坦就与内森·罗森（Nathan Rosen）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 世纪 80 年代，这种理论才流行起来。当时，天体物理学家基普·索恩（Kip Thorne）推动了一场讨论，主题就是物体是否能穿越虫洞。
马西表示：“当我还是个孩子的时候，我读了基普·索恩关于虫洞的畅销书，这本书让我对物理产生了兴趣。”不过，现在看来虫洞似乎并不存在。
索恩曾是好莱坞电影《星际穿越》的科学顾问，他在自己的著作《星际穿越中的科学》一书中写道：“我们没能在任何天体衰老的过程观察到虫洞的存在。”索恩表示，穿越这些理论隧道的时空旅行很可能只存在于科幻小说中，根本没有可靠证据能表明黑洞允许这样的穿越。
然而问题是，我们没办法接近并亲自观察它们。我们甚至无法拍摄黑洞内部的任何照片——既然光线无法逃脱黑洞的巨大引力，那么相机根本无法捕捉其中的影像。目前的理论表明，任何越过事件视界的物体都会成为黑洞的一部分。更重要的是，由于事件视界附近的时间也弯曲了，这一过程会变得极其缓慢，因此我们没办法很快得到答案。
“我认为标准的故事答案是黑洞会通向时间的终结，” 哈佛大学天文学教授道格拉斯·芬克拜纳（Douglas Finkbeiner）说，“一个遥远的观察者无法看到自己的宇航员朋友是如何落入黑洞的。由于引力的红移效应，我们观察到的接近事件视界的一切都会不断变红、变暗淡。但这位朋友最终会落入黑洞，去到一个超越‘永远’的地方，无论那意味着什么。”
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也许黑洞能通向白洞
诚然，如果黑洞能够通往星系的另一端或者另一个宇宙，那么出口需要有与黑洞相反的东西。那会是白洞吗？俄罗斯宇宙学家伊戈尔·诺维科夫（Igor Novikov）在 1964 年提出了白洞理论，他认为一个黑洞连接着一个存在于过去的白洞。与黑洞相反，光和物质能够离开白洞，但是无法进入。
科学家一直都在探索黑洞与白洞之间的潜在联系。2014 年，物理学家卡洛·罗维利（Carlo Rovelli）和哈尔·M·哈加德（Hal M. Haggard）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。” 换句话说，黑洞吞下的所有物质都可能被抛出，而黑洞死亡后有可能变成白洞。
黑洞的坍缩并不会破坏其中的信息，相反它会经历一次量子反弹，允许所有的信息逃逸。如果事实如此，这就能在一种程度上解释斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）曾经提出的理论。20 世纪 70 年代，霍金探讨了由于量子涨落而导致黑洞释放粒子和辐射的可能性。
芬克拜纳说：“霍金认为黑洞的寿命是有限的。”1976 年，霍金在《物理学评论D》上发表了相关论文。根据他的计算，黑洞会因为辐射而损失能量、收缩并最终消失。因为霍金提出黑洞发射的辐射是随机的，并且不包含任何落入其中的信息，黑洞的爆发将抹去大量信息。
这意味着霍金的想法与量子理论相矛盾，因为量子理论认为信息是守恒的。如果信息会丢失，那信息搜索就更加艰难，过去和未来也无从知晓。霍金的想法导致了“黑洞信息悖论”的出现，这个悖论长期困扰着科学家。有人说霍金根本是错的，而霍金本人甚至也在 2004 年都柏林的学术会议上宣称他犯了错，并推翻了自己原来的想法。
所以，我们是否又回到了之前讨论的概念，即黑洞吸收的信息都会通过白洞抛出？或许事实正是如此。在 2013 年发表于《物理学评论快报》的一篇论文中，美国路易斯安那州立大学的若热·普林（Jorge Pullin）和乌拉圭共和国大学的鲁道夫·甘宾（Rodolfo Gambin）基于圈量子引力理论（loop quantum gravity）对黑洞进行了研究，他们发现越接近中心引力越大，但穿过中心后引力变弱，任何落入黑洞的事物都会在宇宙的另一端被抛出。这项研究支持了黑洞只是个入口的假说。在这项研究中，奇点不存在，所以落入黑洞的事物不会因为撞上奇点而毁灭。这也意味着，信息不会消失。
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也许黑洞不通往任何地方
但是物理学家艾哈迈德·阿尔姆海里（Ahmed Almheiri）、唐纳德·马洛夫（Donald Marolf）、约瑟夫·波钦斯基（Joseph Polchinski）和詹姆斯·苏利（James Sully）仍然相信，基于霍金的理论可以有进一步的发现。这 4 位科学家提出了AMPS 火墙（或称黑洞火墙）理论。根据他们的计算，量子力学可以将事件视界变成一堵巨大的火墙，任何接触到它的东西都会立刻燃烧殆尽。从这个意义上讲，黑洞不通往任何地方，因为甚至没有东西可以进入黑洞。
然而，这一理论与爱因斯坦的广义相对论相悖。根据相对论中的等价原理（equivalence principle），穿过事件视界的物体（或人）不会受到极端引力的影响，可以轻松落入黑洞。火墙理论可能遵循了目前宇宙中黑洞以外区域的物理学定律，但即便不违背相对论，它也破坏了量子场论，并暗示信息是可以丢失的。
潮汐瓦解事件的艺术想象图。当恒星过于靠近超大质量黑洞时，黑洞的潮汐力会将其撕裂。（图片来源：All About Space）
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黑洞充满了不确定性
让我们的话题再次转向霍金。在 2014 年发表的研究中，霍金回避了“事件视界”这一说法，而是提出引力坍缩会产生“表观视界”（apparent horizon），这意味着没有任何东西会因视界而燃烧。
表观视界会阻止光线离开黑洞中心，并持续“一段时间”。在霍金的新理论中，表观视界只是暂时困住物质和能量，但最终，表观视界会消失，并释放物质、能量。这一解释支持了认为信息不会消失的量子理论，如果能得到证明，这就意味着任何事物都可以从黑洞中逃脱。
霍金甚至更进一步，认为黑洞或许并不存在。他写道：“黑洞的中心不存在奇点，黑洞应该被重新定义为引力场的亚稳定束缚态。”由于引力作用，表观视界内的物质会逐渐向内移动，但永远不会坍缩到中心。
然而，任何被释放出来的信息都不再是它们被吞噬前的样子。我们无法通过被释放的信息还原它们进入时的状态，这也会引起问题——尤其是当人们发现自己正置身于这样一个令人惊慌的处境之中。他们再也没法跟以前一样了！
可以肯定的是，这个奇妙的谜团还会困扰科学家很久。罗维利和弗朗西丝卡·维多托（Francesca Vidotto）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，霍金的一篇关于黑洞和“软毛”（soft hair）的论文被发布。“软毛”是黑洞事件视界上的光子，它们会储存落入黑洞的物质的信息。但由于事件视界的存在，这些信息从外部看来好像全部消失了。
这与物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）提出的无毛定理（no-hair theorem）截然不同。无毛定理的基础是观察者无法区分两个不同的黑洞，因为黑洞的性质仅由质量、角动量和电荷这 3 个物理量确定，而其他信息（毛发）全部消失了。这个理论已经引起了科学家的讨论，但是距离解答“黑洞通往何处”的问题，还有很长的路要走。
来自: 原理（ID:principia1687）
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