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黑洞火墙理论遭质疑:落入黑洞真的会被烧死?

2016-04-19 14:16:55 来源: 科技讯

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  至诚财经网(www.zhicheng.com)04月19日讯

艺术示意图:质量为太阳数百万乃至数十亿倍的超大质量黑洞

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这项最新研究的主要作者在日本京都大学汤川理论物理研究合影

  这项最新研究的主要作者在日本京都大学汤川理论物理研究合影

  在过去的4年间,研究黑洞背后数学机制的物理学家们逐渐产生了一个奇特的想法,那就是黑洞可能拥有一个被称作“火墙”的区域,它将摧毁任何试图越过这一黑洞边界的物体。不过,最近一篇名为《裸黑洞火墙》(Naked Black Hole Firewalls)的文章则从根本上对这一奇特观点提出了质疑。

  加拿大阿尔伯塔大学物理学系教授佩吉(Don N. Page)是这篇最新文章的合作者之一,他表示:“在当今物理学领域,设想中的黑洞火墙是最为热门的研究话题之一,我们希望我们的这篇文章将能够为这一问题的解决做出一些贡献。”

  相关研究人员还包括国立台湾大学和斯坦福大学的陈匹欣(音译:Pisin Chen),北欧理论物理研究所的王元庆(音译:Yen Chin Ong),日本京都大学的佐々木節,以及国立台湾大学的夏东韩(音译:Dong-han Yeom)等。

  关于黑洞的一般图景直接源自爱因斯坦的广义相对论:该理论指出拥有质量的物体会造成周边时空的扭曲,当其质量足够大时,这种时空扭曲将达到极端程度,任何物质,甚至连光线都将无法从中逃脱。而由于没有光线能够逃离这样强大的引力场,我们便无法看到这类天体的存在,也因此我们将其形象地称作“黑洞”。

  很快,黑洞便作为宇宙中最恐怖的终极吞噬者的形象渗入到了我们的社会潜意识当中。根据相关模型观点,一个不幸的太空旅行者一旦进入黑洞事件视界范围内便将万劫不复,他将在黑洞内部被彻底摧毁。

  尽管这一理论看似简单,但实际上对黑洞进行描述是一件极其困难的事。在上世纪1970年代,英国著名物理学家史蒂芬·霍金提出一种崭新的观点,认为一部分粒子实际上可以借助粒子纠缠原理从黑洞内部逃离,这一理论现在更为人所知的名称是“霍金辐射”。自那以后,黑洞物理学的研究领域便开始涌现出一大批有趣的理论,要想对其进行完整描述,则需要牵涉量子力学和广义相对论的数学方法。

  而在过去的差不多40年间,天文学家们还一直在争论一个话题,那就是所谓的“黑洞信息悖论”,这是将量子力学相关原理引入黑洞物理学之后导致的一个直接后果。佩吉表示:“起先,大部分研究爱因斯坦广义相对论的科学家都认为这一由霍金最先提出的设想应该是合理的,简单来说就是,随着黑洞的形成和‘蒸发’消失,它所包含的信息也将随之丢失。

  而现在,情况已经发生了彻底的改变,大部分科学家——如果不是全部的话,也包括霍金本人,都相信这些信息是不会丢失的。然而,我们现在仍然不甚清楚这些信息如果没有丢失,那么它们是如何被保存下来的。”

  在量子力学中有两条基本原则,一条叫做“量子决定论”(quantum determinism)另一条叫做“可逆性”(reversibility),这两条原则规定信息是不能丢失的。然而随着物体坠入黑洞,描述这些物体的信息也将随之进入黑洞。

  很显然,当这些信息随着物体一同跨越黑洞事件视界,它们也将随之被黑洞吞噬并永远消失。对于这样显而易见的矛盾性,物理学家们感到沮丧不已。

  而信息悖论本身的产生还得从霍金辐射的话题说起,该理论主要的观点是认为物质可以以辐射的形式从黑洞中逃离,但霍金辐射中向外逃离的粒子将不会携带任何关于原先被黑洞吞噬物体的信息。2012年,一个物理学家团队对这一悖论进行了仔细研究并指出,这一悖论所涉及的三大假设不可能都是同时正确的。

  更具体的说,幺正性原理(principles of unitarity)和局域量子场论(local quantum field theory)与所谓“无意外”原则(no-drama)相违背。后者指出,当物体穿越黑洞事件视界时不应该出现任何“不同寻常”的事件。

  相反,研究组指出对于这一问题的简单解决方案应该是,在黑洞事件视界附近的确存在某种“不同寻常”的事件,或者更具体的说,存在一个“火墙”,它会摧毁任何坠入黑洞的物体。

  这一观点有些令人意外,因为对于一个足够巨大的黑洞来说,其事件视界附近的曲率是极其微弱的。在那样的情况下广义相对论应该还会其作用,那么根据广义相对论原理,应该不会发生任何“不同寻常”的事件才对。

  陈匹欣指出:“所谓火墙,或者说是一个可以被近似视作黑洞边界的高能密度区域,将会摧毁任何试图落入黑洞的物体。”

  而当这篇最新论文的作者们前几年开始在日本京都大学汤川理论物理研究所开展相关研究工作时,他们意识到此前提出的火墙理论存在一些问题。

  根据原先理论,火墙隐藏在黑洞事件视界背后,当一名希望一睹黑洞内部景象的观察者穿过大质量黑洞的事件视界,他将会在穿越这一边界的一瞬间被烧死。

  但根据研究组最新的工作,他们认为这一量子力学原理构建的死亡区域实际上是可以在霍金辐射原理下出现在黑洞外部的,从而让观察者得以观察到黑洞裸露的火墙全景。

  京都大学的佐々木節教授指出:“如果火墙确实存在,那么不仅是落入黑洞的物体会被摧毁,并且这样的摧毁过程将是可见的,甚至是在黑洞外部也一样。”对此,佩吉强调指出,一个存在于黑洞外部的火墙将是有问题的。

  因此,如果火墙的确存在,那么它将不会被局限在黑洞事件世界以内,它的毁灭性力量将会延伸到黑洞之外可以被观测到的空间区域。

  这一结果让火墙理论的根基出现动摇,暗示物理学界可能在未来将需要投入更多精力提出对于信息悖论问题更加完善的解决方案。

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