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当你的脚踏入事件视界(即任何事物都无法逃脱黑洞引力的临界点)后,你不会感觉到任何变化。但由于脚部所受引力会远远超出头部所受的引力,最终你的身体会像橡皮泥一样被拉长直至断裂。当爱因斯坦在年提出广义相对论后,当时的物理学家就是这样描述黑洞之旅的。不过近年来,对于这种“致命黑洞”的观点,学术界又有了新的看法。
科学家们进行了很多思维实验,来解决物理学家史蒂芬·霍金在上世纪70年代提出的一则悖论。霍金认为,当代物理学的两大支柱性理论——量子力学和广义相对论,在黑洞附近无法同时成立。广义相对论描述了宏观世界的运行规律,而量子力学则主导了微观世界的运转法则。在解释宇宙中的大部分情景时,物理学家可以自由选择适用的理论,如利用广义相对论来描述星系团,利用量子力学来描述粒子加速器。但在面对黑洞时,这种方式就行不通了,因为它同时具备极大和极小两种相悖的特性。
而这也正是那些思维实验的趣味性所在。来自加州大学圣巴巴拉分校的理论物理学家JoePolchinski一直致力于黑洞问题,他认为如果物理学家能够解答人掉进黑洞会发生什么的问题,那距离将两大支柱理论合并为统一的量子引力理论就不远了。从根本而言,我们就是要找到能够整合宇宙中各种作用力的理论。
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1.传统观点认为,引力强度的差异会使掉进黑洞的人像面条一样被拉伸,直至成为一个薄片。
2.如果存在一道火墙,那么只要越过事件视界,你就会被这道能量墙烧成灰烬。
3.抑或黑洞中心的虫洞会将你毫发无损*地送入星系的另一端。
此黑洞非彼黑洞
这种连光线也无法逃脱的奇点只存在于理论描述中,它并不是隐藏在银河系和其他星系中心真实存在的超大黑洞,而是一种“量子黑洞”,这些量子黑洞需要稳定且孤立的环境。此外,它们的量子力学特性作用的时间比宇宙的年龄还要漫长。这意味着,我们不可能通过实验来验证各种黑洞致死理论。“量子黑洞演化的时间是如此漫长,没有人能活到可以验证它们的那天。当然,尝试掉进真实黑洞的想法也实在够疯狂。”曾与霍金合作,现任阿尔伯塔大学理论物理学家的DonPage说。
信息悖论
传统观点:
理论描述:依据广义相对论,任何实体都无法从黑洞中逃脱。也就是说,随着时间的推移,吞噬大量物质的黑洞只会变得越来越大。不过在上世纪70年代,史蒂芬·霍金发现,由于量子力学的特殊性质,物质实际上能够逃离黑洞。量子力学认为成对粒子可以无中生有并迅速自我毁灭。当一对量子纠缠粒子在事件视界形成时,一个粒子会掉进黑洞,而另外一个粒子则会逃离黑洞,而非消失不见。逃脱的离子会将一些物质带离黑洞,最终黑洞会因此而蒸发殆尽。
理论缺陷:这种微观量子力学效应(通常被称之为霍金辐射),蕴含着物理学家一直在苦苦思索的重大问题。这些粒子具有关联性,它们就像是点数之和总为7的那对神奇骰子一样。一旦逃脱的粒子在跨越事件视界时失去了配对粒子,它就会与新粒子发生关联。但依据相对论,事件视界内的粒子无法感知上述变化,因此它依然觉得自己和配对粒子之间存在“默契”。于是,单配性矛盾便出现了,即幸存粒子不可能与新粒子和先前的配对粒子同时发生关联。
火墙理论
理论描述:年,加州大学圣巴巴拉分校的研究者,提出了对于单配性矛盾的解决方案。他们假设,当配对粒子从事件视界消失时,逃脱粒子便会放弃与消失粒子的纠缠,这种解关联让量子力学得以保留。火墙会在事件视界之外形成,因为每次解关联都会产生能量爆发,就像化学键的破坏一样。这股能量所产生的火墙会烧毁落入事件视界的任何物质。
理论缺陷:为了构筑火墙,物理学家必须摒弃黑洞的经典特性,即落入事件视界的观察者感觉不到任何变化,这一原则还有一个有趣的别名“非戏剧化”。虽然火墙理论难倒了很多物理学家,但大多数人认为这种方案有助于解决量子力学解释黑洞时所遇到的各种棘手问题。该理论的发起者之一Polchinski认为,这样的解答很可能并不是最终答案。“有可能经典理论本来就是正确的,”他说,“虽然我们不知道为什么会这样
虫洞理论
理论描述:来自普林斯顿大学和斯坦福大学的两位物理学家,又提出了另外一种可能性。他们认为,幸存粒子的两个配对粒子,即位于事件视界之内的旧粒子和事件视界之外的新粒子,实际上是同一个粒子。因为被吞噬的粒子可能穿过黑洞内部的虫洞,被送到了其他地方。幸存粒子可以与被吞噬的粒子保持关联,是因为前者认为自己找到了一个新的配对粒子,而后者也没有感知任何变化,除了发现自己已经处在宇宙的其他区域。
注释:
*毫发无损的前提是你必须是个粒子,人想来去自如地穿过黑洞是不可能的。
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