想象一下你在太空中漂浮。安静而寒冷,宁静但有点恐怖。突然间,你感觉到一股牵引力,起初是微弱的,但是当它把你拉向天空的一个空旷的地方时,这股力会变得越来越强。在你意识到这一点之前,你已经进入了一个黑洞。耶鲁大学的普里亚姆瓦达·纳塔拉詹(Priyamvada Natarajan)说:“就在那时,宇宙开始对你产生奇怪的影响。”
随着之前第一张黑洞图片的发布,任何关于这些时空怪物存在的剩余疑问都将被消除。但是关于在黑洞系统内发生的事情,物理学家们仍然存在很大的争议。那么,你可能的命运是怎样的呢?所有的物体都会互相施加引力,但在大多数情况下,这个力是相当弱的。在黑洞的例子中,引力是如此之强,以至于没有任何东西-甚至是光-能够逃脱。黑洞是如此巨大以至于时间本身开始扭曲。当你掉进去的时候,你不会有什么不同的感觉,但是对于任何看着你的人来说,你似乎会变慢。
沿着这个宇宙排水孔的下水道,所有的光子被拉到你身边,就会产生一股耀眼的光线绕着一个完全黑暗的洞旋转,就像我们在“事件视界”望远镜小组的照片中看到的那样。有两个奇怪的效果会影响你的最后一步:隐约可见的黑暗将洗刷你的眼睛,因为黑洞的扩大的速度似乎比你想象的要快得多,周围的恒星将开始扭曲和弯曲。
这是你最后一次逃跑的机会。再往前走,你就会越过视界,这是黑洞引力太大而无法抵抗的线。
纳塔拉詹说:“当你能够看到事件视界时,你可以看到星光在它周围弯曲。”弯曲的光线会缠绕在黑洞周围,但是当你加速穿过无法返回的点时,引力场的强度会改变你所能看到的光的性质。如果你的颈部肌肉有力量让你最后看一眼你的肩膀,你身后的所有星光就会聚集在一起,形成一个红色的点。与此同时,外层空间的宁静将变成一片漆黑,你会觉得自己在下坡。
然后你的身体将遭受惊人的折磨。黑洞内部的引力增加得如此之快,以至于它不仅会压碎你,还会以不同的速度把你身体的每个部分分开,从而导致“面条效应”。如果你的脚先掉下去,你的脚踝会在你的脖子拉长成一串通心粉之前从你的膝盖上伸出来,但是时间上的差异会很小,你可能不会注意到。纳塔拉詹说:“它会在眨眼间发生,这可能不是最好的表达方式,因为你的眼睛会突然跳出来。”
在新出现的面条效应后会发生什么?
A:留在原地
热力学定律是无情的。即使是黑洞也逃不过他们的审判。根据第二定律,宇宙中的熵或无序度永远不会减少。所以当你的杂乱无章的身体掉进去的时候,它所包含的熵是不能被抹去的。这必须由黑洞本身熵的增加来解释。但是如果黑洞有熵,它必须有一个温度,所以,就像任何有温度的物体一样,它必须辐射热量。
辐射怎样才能逃离一个不可避免的物体?1974年,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)想出了一种变通办法,发明了一种现在以他的名字命名的辐射。
霍金辐射不是从黑洞的心脏冒出来的,而是由粒子和它们的反粒子双胞胎组成的,这些粒子在视界附近突然出现。这样的粒子对和反粒子总是随处可见。这些亚原子孪生兄弟在本质上是联系在一起的,其中一个的任何变化都会立即影响到另一个。在量子力学的语言中,它们被称为纠缠。
由于这种亚原子阴谋,任何落入黑洞的反粒子都会有一个伙伴粒子存活下来,辐射出去并降低黑洞的能量。但这给我们留下了一个令人担忧的后果:在某一时刻,黑洞将完全辐射出去,把你带走。
这种消失的行为违反了理论物理学的另一个基本原则:信息不能就这么消失了。即使信息以一种形式被销毁,就像一本书被扔进火中烧掉一样,这些信息仍然保留在幸存下来的烟雾和灰烬的微粒中-尽管这种形式要难读得多。物理学家依靠这种连续性来获取有关过去的信息,并对未来作出预测。如果它能凭空出现消失,我们所知道的所有物理学都将变得毫无意义。
如果黑洞能摧毁信息,它就能毁掉你所有的踪迹。游戏结束。
B:等待黑洞释放。
一些物理学家认为,当黑洞通过霍金辐射蒸发时,你可以保持在黑洞内,然后在它垂死的呼吸中释放。这样,至少你的一些信息不会永远丢失,而是被囚禁了很长时间,因为黑洞慢慢地泄露而被释放出去。
在遥远的未来的某个时候,根据黑洞的初始尺寸,事件视界将变得非常之小,以至于即使是单一波长的光也不能再挤进去。在这一点上,与你的遗骸相关的辐射将会被释放出来,除了黑洞过去所在的空旷空间之外,什么也没有留下。
但这场旷日持久的捉迷藏游戏有一个致命的缺陷:黑洞不能决定它输出辐射的速度,这是由热力学定律决定的。某物发出的辐射越多,它应该得到的辐射就越小,而它得到的辐射越小,它能发出的辐射就越少。当黑洞变得足够小,吐出它的最后一餐时,就不会有任何东西可以被驱逐了。黑洞会发出一声呜咽,而不是砰的一声,你存在的任何残余痕迹都会消失。
C:寻找一个白洞出口。
就像黑洞不允许任何物体逃脱它们的引力一样,被称为白洞的假想物体也不能把任何东西聚集在一起。一种想法是,每一个黑洞都是通过一个称为虫洞的维度间隧道与一个白洞相连的。掉进一个黑洞里,你最终会被白洞扔出去的。
然而,对于法国艾克斯-马赛大学(AIX-Marseille University)的卡洛·罗维利(Carlo Rovelli)来说,有一种方法甚至不需要虫洞就能做到这一点。相反,他认为每个白洞过去都是一个黑洞,这意味着在遥远的将来,当黑洞翻转回一个白洞时,你的遗骸可能会被吐出来。但这种转变是如何发生的呢?
一旦恒星坍塌形成黑洞,其组成的原子就紧密地结合在一起,开始受到量子物理定律的制约。这会导致一些奇怪的和违反直觉的现象。其中最重要的是所谓的量子隧道,它说粒子有一个小但非零的机会,通过一个原本无法穿透的屏障直行。罗维利说,对于落到黑洞中的粒子来说,这意味着它们理论上可以直接穿过其中心的无限密度的“奇点”,然后反弹回来。“落在黑洞内部的东西到达了中心,就像撞到了一堵墙,因为根据爱因斯坦的理论,它不能再回来了。”罗维利说,“但量子理论允许它‘隧穿’并重新出现。”
这就创造了一种时空向外反弹的场景,形成了一个白洞。对于一个外部观察者来说,这个过程需要数十亿年的时间,但在内部,由于黑洞巨大的引力,时间将会加快。罗维利说:“你从中心跌落,经过另一边反弹的时间将是几毫秒。如果我们能往里面看,你会看起来像被冻住了。”这个冷冻的你可能会从白洞里钻出来。
恭喜你,你找到了一条离开黑洞的路。可能你看起来很混乱。
D:把自己辐射开
正如斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)所指出的那样,黑洞不断地发出辐射。那么,如果你的身份不是被永远摧毁或隐藏起来,而是以霍金辐射的形式泄露出来呢?不幸的是,这实际上使事情变得复杂得多。
霍金辐射是由虚拟粒子组成的,这些粒子在事件视界附近短暂地存在,其中一个纠缠的伙伴粒子被吸进去,而另一个则逃脱。但如果是这样的话,量子力学给我们带来了一个令人不快的悖论。我们已经知道霍金辐射的粒子和它们刚刚掉进去的伙伴粒子处于纠缠态。但是因为霍金辐射包含了每一个已经掉进去的粒子的信息(而且这些粒子和它们自己的辐射粒子纠缠在一起),任何射出的粒子也必须和它之前的霍金辐射纠缠在一起。
量子力学不允许这种多配偶关系。一个被称为纠缠的一夫一妻制的基本原理说,粒子不能同时和两个东西纠缠在一起。如果你的信息想要通过霍金辐射离开黑洞,就需要在它身上发生其他事情。
这种情况下,你试图违反量子物理定律。你可以在这三个选项之间选择:突破火墙,发生时空泄漏,分裂宇宙。
1.突破防火墙
走出量子困境的一种方法是召唤出一堵防火墙。如果这个防火墙仅仅存在于事件视界内,它将打破黑洞外部任何正在消失的粒子和它们的伙伴之间的纠缠。
问题是,这种障碍物与阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论完全不相容,后者预测黑洞的事件视界不会感觉到与周围空间有任何不同。根据爱因斯坦的说法,引力的拉力应该总是和加速的结果是无法区分的:如果你在火箭中快速地在太空中加速,你会感觉到引力正把你推回到你的座位上。这个等价原则应该在事件范围的任何一边都适用,这意味着当你穿过它时,你不应该注意到任何不寻常的东西。
但即使我们允许这种障碍的存在,这也不是一条很好的出路。如果你越过它,你将会被炸得干干净净,其他令人讨厌的事情也一样。
2.发生时空泄漏
围绕黑洞的一个想法是,它们连接到一个跨越维度的宇宙虫洞。但是如果不是进入另一边的白洞,宇宙的管道就不是那么壮观了,那又会怎样呢?
加州斯坦福大学的伦纳德·苏斯金德(Leonard Susskind)和普林斯顿大学的胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)设想了一种虫洞,这种虫洞在许多方向上都是从黑洞分支出来的,就像一棵树的根网络。每一个微小的管道只够单个的霍金辐射光子出现,让黑洞蒸发,同时避开防火墙和信息丢失的悖论。这些信息被保存下来,因为它沿着这些分支之一离开了黑洞,并且不会创建防火墙,因为没有任何东西会穿越事件视界。更重要的是,由于我们已经消除了伴侣粒子,纠缠的一夫一妻制永远不需要打破。双赢!
不幸的是,有一个问题。据比利时鲁汶大学的艾丹·查特温·戴维斯(Aidan Chatwin-Davies)说,这一过程违反了量子物理学的核心原则,即信息不能被摧毁。如果你把一个量子实体扔进黑洞,得到的是热辐射,它所包含的信息已经从我们的宇宙中消失了。这是一个很大的宇宙禁忌。
你试图破坏信息保护,但这从来都不会顺利。回去再试一次?
3.分裂宇宙
如果我们的宇宙不是唯一的呢?这是一个激进的想法,但它是量子力学多世界观点的支持者认真对待的观点。他们说,每当量子过程发生时,宇宙就会分裂,为每个可以想象的未来创造一个不同的平行世界。
这意味着,当你跳进黑洞时,所有可想象的结果都在某个平行的存在平面上发生。这意味着你似乎违反了信息守恒的基本原则,只要你这样做的方式在另一个宇宙中得到了补偿。
比利时鲁汶大学的艾丹·查特温·戴维斯表示,多世界多元宇宙的不同分支都是相互关联的,这意味着你的命运现在已经跨越了多重宇宙的多个版本。你可能会在防火墙中燃烧,从白洞中掉下来,泄漏到时空的结构中,或者可能根本就不会掉进去。物理定律可能会在宇宙中崩溃,我们可以看到并与之互动,但在数十亿潜在的现实世界中,恢复了理智。
恭喜,你们中的一个(可能)活了下来。
你还可以再试一次。
但如果它不是黑洞?
对于所有这些令人不快的黑洞场景:简单地重新想象黑洞是什么。在经典物理学中,没有办法阻止物质收集,变成恒星,然后塌缩成黑洞。引力不会停止。
弦理论。它的出发点是,物质不是由基本粒子组成的,而是由微小的弦组成的。在一个正常黑洞所处的引力中,这些弦将会缠绕在一起。俄亥俄州立大学的萨米尔·马图尔(Samir Mathur)说:“你在一个系统中投入的能量越多,弦的球就越大。它从来就不是真正的黑洞。它是一个由弦组成的类似行星的物体,而行星并不会造成信息丢失的问题。”
如果你跌落到这样的模糊球上,你仍然会死得很惨,但你不会成为虚无的一部分,而会成为某种东西。首先,当你接近它时,你会感到温暖。当你经过事件视界并继续向巨大的弦球走去时,你会被撕裂,当你到达地面时,你的身体会变成一束弦。
当你被弦球吸收后,你就会开始在黑洞的表面上展开,与那里的其他弦混合在一起。马图尔说:“到那时,你就会被拆散,你就不会再活下去了。但是你的弦会振动。”你的思想和记忆早已荡然无存,但那些让你成为宇宙中最奇异的地方之一的东西。
结束,直到一些理论家想出更好的东西。
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