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?

撰文 | David Crookes

翻译 | 于颖卓

审校 | 吴非

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。

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。”

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。

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。

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。

原文链接:

https://www.livescience.com/where-do-black-holes-lead.html