黑洞真的是無底洞?新理論認為掉進黑洞的物質可能會穿越時空
2020-11-27 前瞻網黑洞真的是無底洞？新理論認為掉進黑洞的物質可能會穿越時空
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一種新的理論認為，黑洞的中心可能沒有奇點，相反，它們吸入的物質可能會在未來某個時候被吐向整個宇宙。來源：Shutterstock
黑洞是宇宙中最神秘的地方之一;在黑洞，空間和時間的結構被嚴重扭曲，甚至連光都無法從那裡逃脫。根據愛因斯坦的廣義相對論，黑洞的中心是一個奇點，在這個奇點上，許多恆星的質量被擠壓成一個完全為零的體積。然而，12月10日分別在《物理評論快報》和《物理評論D》雜誌上發表的兩篇物理學論文，可能會讓科學家們重新思考我們對黑洞的認識。根據論文，黑洞可能不會永遠存在，而且我們可能完全誤解了它們的性質和它們中心的樣子。
愛因斯坦物理學的前沿
長期以來，天文學家和物理學家一直認為奇點這個概念肯定是錯誤的。如果一個有質量的物體沒有大小，那麼它的密度則是無限的。儘管研究人員老是說「無限」這個詞，但自然界中並不存在「無限」。相反，當你在一個真實的物理科學環境中遇到一個「無限」時，它代表的真正意思是你把你的數學推到了它們可以發揮作用的領域之外，在這種情況下你需要一種新的數學。
要給出一個熟悉的例子的話很容易。牛頓引力定律說，引力的強度隨著1除以兩個物體之間距離的平方而變化。所以如果你把一個球放在一個遠離地球的地方，它會經歷一定的重量(受一定的引力作用)，當你把它靠近地球時，它的重量會增加(受到的引力作用增加)。如果把這個方程推到極端的話，當你把這個球靠近地心時，它會受到無限的引力作用。但現實情況卻並不是這樣。
相反，當你把這個球靠近地球表面時，牛頓的引力定律就不再適用了。你必須考慮地球質量的實際分布，這意味著你需要使用不同的、更複雜的方程來預測不同的行為。同樣，雖然愛因斯坦的廣義相對論預言黑洞中心存在一個密度無窮大的奇點，但這是不可能的。在非常小的尺度下，必須要有一種新的引力理論作為指導。我們對這個新理論有一個總稱：它叫量子引力。
量子引力這個名字意味著「最小尺度的引力」，但是這個詞語並不意味著一個特定的理論。不過已經有人提出了幾種特定的理論來描述微觀世界中的引力。其中一種被稱為環量子引力。
環量子引力在數學上有明確的定義，它將時空的結構表示為自旋網絡(自旋網絡是描述粒子和場如何相互作用的數學公式)的格子，自旋網絡會隨著時間的推移而演化。從一個更實際的角度來看，環圈量子引力預言時空是量子化的，並且時空具有最小的可能單位或塊，一旦超過這個最小單位或塊，時空就不能進一步細分。
環圈量子引力是一個深奧的數學理論，它曾經一直不能在黑洞內部進行可驗證的預測。然而，賓夕法尼亞州立大學的Abhay Ashtekar和Javier Olmedo以及路易斯安那州立大學的Parampreet Singh已經成功將環狀量子引力應用於黑洞中心。他們聲稱，應用的結果並不是奇點。
他們的計算結果預測，時空在靠近黑洞中心的地方扭曲得非常厲害，結果顯示時空會繼續進入未來的一個具有白洞結構的區域。白洞就像是一個與黑洞相反的東西，它不像黑洞那樣會把物質吸進去，白洞會不斷把物質噴射出來。
或許還有另外一種方式來想像他們的預測結果。眾所周知，在強引力場中，時間會變慢，而黑洞包含宇宙中最強的引力場。正因為如此，對這個新預測結果的一種可能解釋是：物質落入黑洞中，然後它們會「反彈」，將質量彈回出整個宇宙，但因為靠近黑洞中心的時間非常慢，所以這個過程需要大量的時間。如果研究人員是正確的話，那麼在遙遠的將來，也就是現在黑洞存在的地方，物質將會噴薄而出，擴散到整個宇宙。
和以往一樣，理論科學有許多有趣且令人興奮的錯誤觀點，而這有可能是其中之一。因此，查看是否有實驗支持這些理論觀點非常有必要。
可能性有幾種。科學家們在太空中觀察到了尚未能完全解釋的高能現象，一種是非常高能的宇宙射線撞擊地球大氣層;另一種是所謂的「快速射電暴」，即在很短的時間內觀測到大量的無線電能量。至少在原則上，這兩種現象都可能是黑洞在向白洞轉變的標誌。
接受這個有趣的新想法當然為時過早。相反，謹慎的做法是繼續觀察使用環量子引力的計算會得出什麼結果。如果預測有所改進，並開始變得更像某些無法解釋的天文現象，那麼這個新結果可能會在解釋量子引力工作原理之餘，還能重塑我們對宇宙過去和未來的理解。
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