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《科学24小时》

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事件视界还是表观视界

2014-10-31 17:01:05

如果今天只是你和我,发表一些对于房产形势的看法,一定不会引起大家的注意。但潘石屹和任志强等人的一句话,却会引起房产界的巨大波动。这个社会的任何领域都是如此,科学界亦如是……

事件视界还是表观视界

张同杰 李时雨

张同杰:

北京师范大学天文系教授、博士生导师,研究方向为标准宇宙学的理论和宇宙学的观测效应。

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李时雨:北京师范大学天文系研究生,研究方向为宇宙学。

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从上世纪70 年代开始,人类对黑洞的研究从理论探讨逐步上升为实际观测,越来越多的科学家相信并力证它的存在。此时若有不知名的物理学家,扬言“黑洞不存在”,那他一定无异于中世纪教会眼中的布鲁诺。不过,当这句话出自现代黑洞理论的创始人之一斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)之口时,就值得我们好好注意了。


“表观视界”的出现

2013 8 月,霍金通过Skype(一款网络即时语音沟通工具),给美国加州大学圣巴巴拉分校的科维理研究所(Kavli Institute)作了一场报告。随后,他基于这场报告的内容,完成了题为《黑洞的信息保存和天气预报》的文章,并于2014 1 22 日在arXiv 发表。正是这篇文章,摒弃了黑洞周围存在事件视界(Event Horizon)的概念。所谓事件视界,即指黑洞周围看不见的边界。一旦到达这个无形的黑洞边界,任何事物,哪怕是光,都无法逃逸。它是宇宙中的单行道:只能进,不能出。

在这篇文章中,霍金认为:“从光无法逃逸至无穷远的角度来看,没有事件视界就意味着没有黑洞。”为了支持自己的理论,他提出了“灰洞”的概念。“灰洞”的边界被称为“表观视界(Apparent Horizons),它只能暂时困住物质与光。

简而言之,霍金的新观点就是黑洞不存在,这个超高密度的天体更像是灰洞。这个观点极大地震动了国际物理界尤其是引力物理界,其造成的影响绝不亚于巴西队1:7 负于德国队,给世界足坛带来的震撼。

霍金在接受《自然》杂志社记者采访时说:“在经典广义相对论的引力理论中,任何事物都不能从黑洞中逃逸,然而量子理论却能使能量和信息从黑洞中逃逸。”一些物理学家承认,对该现象的合理解释,需要一个能够完美合并引力与其他基本自然力的理论。但是,近一个世纪以来,物理学家始终没有发现这样的理论。霍金认为,“正确的处理方法仍然是一个谜”。

而且,广义相对论与量子理论的冲突,也引出了人们关于“黑洞火墙悖论”的思考。2012 年,科维理研究所的理论物理学家约瑟夫·波尔钦斯基(Joseph Polchinski)和他的同事,发现了这个悖论。自那以后,“黑洞火墙悖论”已经困扰了全球物理学家整整两年,而霍金提出的“灰洞”新观点,正是为了解决这个所谓的悖论。这究竟是个怎样的神奇悖论?

 

无解的“黑洞火墙悖论”?

“在物理学中,悖论是个好东西,”美国加州理工学院的理论物理学家约翰·普瑞斯基尔(John Preskill)说,“它们会向你指明通往重要发现的道路。”而黑洞恰恰是一个滋生悖论的肥沃温床。“黑洞火墙悖论”其实并不复杂,科研人员设计了一个思想实验——如果一个倒霉的宇航员不幸落入黑洞会发生什么。关于这个问题,科学家得出了两个相互矛盾的结果。

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在经典广义相对论的引力理论框架中,物理学家认为,宇航员会愉快地通过事件视界,完全不知道自己即将面临死亡的威胁,最终在黑洞无限致密的核心“奇点”,被巨大的引力撕裂。然而,当研究人员详细分析了具体情况后,他们意识到量子力学规律将会彻底“改变”这个宇航员的命运:如果基于量子理论考虑,那么事件视界会转化为一个高能量的区域——“火墙”,它会把宇航员烧焦。这个结果令人震惊,因为尽管“火墙”服从了量子规律,但是它却违反了爱因斯坦的广义相对论——无论他们是落入黑洞或是漂浮在空旷的星系际间中,自由落体的人应该感受到在宇宙任意处都同等的物理规律。

其实,这个悖论的核心问题在于事件视界:它究竟会对宇航员毫无阻拦,还是会变成一堵“火墙”。关于这个问题,霍金在《黑洞的信息保存和天气预报》一文中,引入了“表观视界”的概念,这是一个当光线试图从黑洞的核心逃逸时,会被暂时困住的边界。“表观视界”的出现,为黑洞火墙悖论提供了诱人且简单的第三种可能性:量子力学和广义相对论的理论框架保持不变,但黑洞根本就没有所谓的事件视界和“火墙”,它只有一个表观视界组成的时空,它具有很强的波动性,没有明显的边界。而“表观视界”概念的提出,导致了“灰洞”概念的产生。

从光线不能逃逸至无穷远的意义上看,不存在事件视界则意味着不存在黑洞。在广义相对论中,对于静态的黑洞而言,事件视界和表观视界是相同的。然而,这两个视界在原则上又是可以加以区分的。如果有越来越多的物质被黑洞吞噬,黑洞的事件视界就会不断膨胀,变得比表观视界更大。不过在20 世纪70 年代,霍金还一直认为,黑洞会慢慢收缩,喷涌出“霍金辐射”。在这种情况下,事件视界会比表观视界更小才对。今天,霍金的新观点认为,表观视界才是黑洞的真正边界,它几乎就像极端物理的“灰色地带”。不过,如果要符合广义相对论或量子动力学,那么信息在穿过表观视界时,会被完全打乱。也就是说,虽然信息可以从黑洞逃逸,但是它们会变得面目全非。当然,这个结果也恰好回避了黑洞火墙悖论。


并不完美的解决方案

即便霍金的新作貌似完美地解答了黑洞火墙悖论,但仍在物理学界引起了科学家的广泛讨论。

20 世纪70 年代与霍金有过合作的物理学家,研究黑洞的专家唐·佩吉(Don Page)认为:霍金对于黑洞可能不存在事件视界的提议也许是对的,但这不足以解释火墙悖论。即使表观视界只是短暂存在,但也可能会导致跟事件视界存在的同样问题。而且,不同于事件视界,表观视界最终会消失。佩吉还指出,霍金打开了极端场景的大门——“原则上,任何事物都有可能逃出黑洞”。

虽然霍金在他的文章中并没有详细说明表观视界会如何消失,但佩吉推测:当事件视界缩小到一定规模时,此时量子力学和引力的影响会相互结合,我们有理由相信,表观视界确会消失。因此,无论什么物质被黑洞困住,最终都会被释放。而且,如果霍金的观点是正确的,那么黑洞核心甚至可能不存在奇点。相反,物质只是暂时被困在表观视界中,由于受到黑洞的牵引力,它们会逐渐向内移动,但绝不会塌缩到中心。物质的信息不会被破坏,但会变得非常混乱,因为它是通过“霍金辐射”释放的。这些信息几乎不可能维持被黑洞吞噬前的样子,“这将比试图修复一本烧成灰烬的书更难”。霍金也深知其中的难度,他将这比作试图提前预测天气:理论上是可行的,但想要在实践中提高精确性却非常困难。

波尔钦斯基对霍金的观点也持同样的怀疑态度,他认为,自然界中不太可能存在没有事件视界的黑洞。“在爱因斯坦的引力理论中,黑洞的视界与空间的其他地方并没有太大的不同,”他认为,“我们从来没有在临近的宇宙空间中看到过时空波动,这在宇宙大尺度结构中也非常罕见。”霍金以前的学生、加州大学伯克利分校的理论物理学家拉斐尔·布索(Raphael Bousso)也对霍金的解决方案持谨慎态度。“黑洞中处处存在可以从中逃逸的点,这在某些方面比‘火墙’的存在更有问题,”他说,“但事实上,在霍金发表了第一篇关于黑洞和信息的论文40 年后,我们仍在讨论这样的问题,这证明了它具有非凡的意义。”

 

名词解释

事件视界:一种时空的曲隔界线,是从黑洞中发出的光所能到达的最远距离,也是黑

洞最外层的边界。在事件视界以外的观察者无法利用任何物理方法,获得事件视界以内的任何事件的信息,或者受到事件视界以内事件的影响。

霍金辐射:在“真空”的宇宙中,根据海森堡不确定性原理,会在瞬间凭空产生一对正反虚粒子,然后瞬间消失,以符合能量守恒。霍金推想,如果在黑洞外产生了虚粒子对,其中一个被吸引进去,而另一个逃逸,那么,逃逸的粒子则获得了能量,不需要跟其相反的粒子湮灭,可以逃逸到无限远。这在外界看来,就像是黑洞发射粒子一样。这种辐射就被命名为霍金辐射。由于该粒子是向外带去能量,所以它吸收了一部分黑洞的能量。因此,黑洞的质量会渐渐变小,直至消失。当然,它也向外带去信息,所以不违反信息定律。

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奇点:大爆炸宇宙论所追溯的宇宙演化的起点。它具有一系列奇异的性质:无限大的物质密度,无限大的压力,无限弯曲的时空等。宇宙大尺度结构:在物理宇宙学中描述可观测宇宙在大范围内(典型的尺度是十亿光年)的质量和光的分布特征。





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