廣義相對論和量子力學打架的黑洞奇點，真可能通向另一個宇宙嗎？

2020-10-18 星辰大海種花家

黑洞從廣義相對論中的預言走到2019年4月10日的首次對黑洞成像，差不多經歷了一百多年的時間，但我們認識黑洞卻不是從4月10日後才開始的，人類已經通過理論模型到一步步的觀測驗證，對黑洞已經建立起了大量的認知，但即使我們已經拍下照片，但對視界以內的狀況仍然一無所知！

人類對黑洞的認知歷史

黑洞是大神史瓦希在第一次世界大戰戰場上通過求解愛因斯坦廣義相對論引力場方程，取得的一個特殊解，大概意思就是當天體質量不變，尺寸縮小到史瓦希半徑以下時，它將不可避免的坍縮為黑洞。而史瓦希就是求得了這個半徑。

  • 太陽的史瓦希半徑大約是2.9千米

  • 地球的史瓦希半徑是9毫米

當然在當前的狀態下，無論是太陽還是地球都不夠格，因為能將自身壓縮至史瓦希半徑的，質量至少要超過太陽的3.2倍以上，因此這個只是一個理論計算值，但從史瓦希推導出黑洞這個概念以來，到人類第一次發現疑似黑洞的天鵝座X-1的二十世紀六十年代，大約相隔了四十幾年！

天文學家就是非常擅長這種在理論推導下的模型來展開一系列的驗證工作，從黑洞理論推測出了諸多特性：

  • 黑洞連光都無法逃逸

史瓦希推導史瓦希半徑時，所用的參數就是天體表面光速環繞和引力平衡時推導出來的半徑，假如天體到達這個半徑，那麼它無論如何的熱運動都無法對抗天體的坍縮，因熱運動（普朗克溫度）的極限就是光速，因此在史瓦希半徑內，沒有任何信息可以被傳遞出來。

  • 黑洞坍縮後不會保留任何物質信息

其實天體突破到中子星時已經不包含原始恆星信息了，但中子星有上限，也有下限，我們仍然可以根據它僅有的信息做一個推測，但黑洞甚至連基本粒子都不在保持，我們無法推測出這個黑洞以前是個什麼天體，或者是原初黑洞，無法判斷。

  • 黑洞可以保留電荷和角動量

電荷不會消失，假如形成黑洞之前有電荷的話，它同樣會被保留，而角動量守恆也同樣能被保留下來，黑洞是自轉的，它的自轉方向和吸積盤公轉方向沒有關係。

以上參數都是無法被直接觀測的，但天文學家根據黑洞的這些特性推測另外能夠被觀測幾個理論特性：

  • 強大的引力下黑洞會存在吸積盤

  • 黑洞的自轉可以通過吸積盤發光紅移判斷

吸積盤會發出從低頻射電到X射線的全波段輻射，而X射線成了我們判斷天鵝座X-1黑洞和銀心黑洞Sgr A*黑洞的重要依據，射電波段則成了M87*黑洞的成像工具，半個地球的毫米波射電望遠鏡從2017年4月份開始用了將近十多天的有效觀測時間，取得了大量的數據，經過兩年的處理，終於在19年4月10日公布了M87*黑洞的影像，從下亮上暗的特性判斷出了黑洞自轉的形成的藍移和紅移。

天文學家從理論推斷中的黑洞模型和現實成像中觀測到的黑洞是相互吻合的。至此黑洞已經完美印證了廣義相對論的推斷，當然它不是第一個，最早是水星進動驗證，而後是日食光線彎曲驗證，但黑洞成像技術實在要求太高，100多年後才目睹黑洞真容！

黑洞的時空特性，它會連接另一個宇宙嗎？

廣相大到可以計算整個宇宙的形狀（弗裡德曼在1922年就假設宇宙物質均勻分布計算過宇宙的形狀），小到可以形容黑洞內部的世界！但廣義相對論有一個致命的弱點！

廣相在到達奇點時失效

是不是很矛盾？廣義相對論計預言了黑洞，並且史瓦希計算出了史瓦希半徑，但廣相卻在奇點時失效了！其實這可以理解，奇點的密度和時空曲率都無窮大，而廣相的所有參數中都不存在無窮大這個物理量，因此這我們也是可以理解的，不過真正的問題並在至此

  • 廣義相對論研究引力比較大，尺度比較大的物體的

  • 量子力學是研究尺度比較小，引力也比較小的物體的

但兩者在奇點處相遇了，廣相認為這個奇點密度無限大，但尺寸無限小，而且位置是確定的，量子力學認為尺寸無限小，它就適合海森堡不確定性原理，它的位置是不可確定！很抱歉，它們誰更正確一點我們暫時還不知道！

  • 這個廣相和量子力學打架的奇點，真的通向另一個宇宙？

我們前文說明了，過了黑洞的視界以後，理論上不可能有任何信息被傳遞出來，而事實上在M87*黑洞視界半徑的2.5倍處時我們的觀測手段已經無法獲知任何信息，那麼黑洞內的世界我們是無法被真正觀測到的！

這是一個理論物理學家的問題，我們知道引力的本質是質量對於時空的彎曲，就如惠勒說的，廣相的本質就是質量告訴時空該如何彎曲，時空告訴質量該如何運動！因此質量在彎曲時空內的運動走的都是測地線，無論是環繞走還是一頭撞入質心，它只是在走它該走的測地線！

但跨過黑洞的視界後空間已經被無窮扭曲，時間也已經停滯，這樣一個區域，誰能穿越過去，只會永遠停留在這個位置，現代理論不支持穿越一個時間停滯的區域，無論你速度有多高，穿越空間總是需要時間，當時間停滯時，再高的速度又有何意義？

也有朋友會認為穿過視界的物質會超過光速，因為視界處連光速都無法逃逸，那麼在引力作用下會超過光速，但事實上遇到的問題就是時間停滯，在外界我們根本不能判斷越過視界的物質到了視界內部的什麼位置，因為我們三維時空的一切坐標系都無法來形容它，你知道它到哪裡了？

其實連理論物理學家也不知道這個奇點會如何，但至少他們不會拍腦袋得出奇點將會通向另一個宇宙，畢竟說大話可能不要成本，但可能會被閃了舌頭！

相關焦點

  • 廣義相對論與量子力學的終極矛盾——黑洞奇點
    史瓦西半徑是根據廣義相對論的史瓦西解得到的一個半徑公式，用於計算光速不能逃逸的臨界半徑，科學家稱這個臨界半徑包裹的球形區域為黑洞。黑洞根據廣義相對論，當大重量恆星結束核聚變，中心會坍縮到史瓦西半徑以內而形成黑洞，根據英國物理學家彭羅斯和霍金證明的奇性定理，黑洞中心會產生一個體積無限小，密度無限大的奇點，在奇點處時空終結，物理規律失效，這是一個預言中的奇異點，實際存不存在無從驗證，因為它永遠被黑洞視界包裹著，黑洞視界阻止了外界獲取內部的任何信息
  • 黑洞中的奇點,用相對論和量子力學都無法解釋,它真的存在嗎?
    而宇宙大爆炸的「奇點」，我們先不說，因為它更特殊。引力奇點的存在，是廣義相對論預言的一種現象。我們知道，廣義相對論其實是一種幾何學，所以奇點它是一個幾何上的一個點，所以說它沒有大小。不過原則上，它也可以是一維的線或者二維的膜。像之前說的，克爾黑洞這類，軸對稱的黑洞裡就不是點，而是環。
  • 物理學家將量子力學與廣義相對論結合,找到替代黑洞奇點的新方法
    物理學家提議替代黑洞，物理學家已經將量子力學概念與廣義相對論結合在一起，從而找到了替代黑洞奇點的新方法。當您跨過兩個黑洞的假設選擇時，您會得到什麼？，這是一個自洽的半經典相對論恆星，發表了有關恆星命運的新數學模型。
  • 量子力學表明黑洞視界上會有量子纏結
    根據艾爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論，如果黑洞吞噬你，你存活的概率為零 「當你到達廣義相對論的奇點，物理學終止了，等式也不成立了，」美國賓夕法尼亞州立大學的阿貝·阿希提卡(AbhayAshtekar)這樣說道。     在解釋宇宙大爆炸時，同樣的問題也會突然出現，宇宙大爆炸被認為以奇點作為開始。
  • 黑洞將會通向哪裡？
    如果蟲洞存在，它們可能會通向另一個宇宙。但是，沒有證據表明蟲洞真實存在，也沒有證據表明黑洞也會像蟲洞一樣　　多年來，科學家一直在研究黑洞成為蟲洞的可能性，是否能通往其他星系。正如一些人所說，黑洞甚至可能是通往另一個宇宙的路徑。　　這樣的想法已經流傳了一段時間。
  • 當代理論物理學最艱巨的任務——將廣義相對論與量子力學完全統一
    在物理學上，有一個怪象。當人們探究宏觀世界的奧秘時，只要使用廣義相對論就足夠了；而當人們探究微觀世界的奧秘時，只需要量子力學就可以了。這兩個理論在各自的領域就如同兩把萬能鑰匙，無論多麼複雜的鎖都能打開。
  • 這個新方程可以統一廣義相對論與量子力學
    R（Rosen）和P（Podolsky）則是另外兩位物理學家的首寫字母，他們與愛因斯坦在1935年共同發表了兩篇非常有意思的論文。這個公式迷人之處在於，它連接了愛因斯坦的廣義相對論和量子力學。我們知道，量子力學和廣義相對論在各自領域出色的描述著我們生活的世界，它們也預言過許多聽起來有違常識的概念。
  • 將量子力學和相對論結合會發生什麼?黑洞中兩種理論巨大的矛盾!
    在牛頓建立的經典物理學大廈遭受到打擊之後，拔地而起兩座目前最讓人著迷的兩座新大廈，一個是廣義相對論，另一個是量子力學。這兩個領域基本瓜分了它們現世之後的物理學諾貝爾獎，它們一個用來研究超越一般大小的巨大天體，一個被用來十分微小的粒子。
  • 相對論和量子論的「愛情長跑」未成正果
    目前的物理學存在兩種主要的理論支柱——量子力學和廣義相對論，極為不同的兩種理論難以同時成為黑洞物理學的真理。廣義相對論應用於大質量的天體運行領域，量子力學應用於微小質量的粒子運行領域。物理學家或者以廣義相對論研究星系和星系團的運動，或者以量子力學研究粒子加速器，但是，極端條件的黑洞同時具備兩種特性，它既是巨大質量的天體，也是微小體積的奇點粒子，廣義相對論和量子力學的衝突在於兩種基本的理論難以同時應用於黑洞的運行。
  • 一個簡單的等式看懂黑洞奇點的奇異程度
    黑洞與廣義相對論有著天生的親緣關係，當德國物理學家史瓦西1915年得到引力場方程的第一個精確解時，人們就發現在這個被稱為史瓦西解的數學模型中，包含著兩個非常明顯的奇異性，一個是史瓦西半徑面上的奇異性——後來被稱為史瓦西視界，另一個則是黑洞中心點的奇異性——黑洞奇點。
  • 掉入黑洞會怎樣?被拉成「麵條」,還是前往另一個宇宙
    在愛因斯坦的廣義相對論根據時空和引力的關聯預言出黑洞之後，人們知道黑洞源自大質量恆星死亡後遺留的小而緻密的核心。如果這個核心的質量超過太陽的3倍，在巨大的引力作用下它會發生坍縮，直至所有物質匯聚到一個點（也就是奇點），而這個奇點就是黑洞密度無限大的核心。由此產生的黑洞有著巨大的引力，甚至連光都無法逃離它。
  • 在未來,廣義相對論和量子力學有可能統一嗎?科學家是這樣看的
    廣義相對論和量子力學不可調和我們要想真正理解黑洞、時間的起源和空間的本質，需要在某種程度上結合廣義相對論和量子力學的理論，但是，這兩個理論在本質上似乎是不可調和的。科學家們始終相信，在未來的某一天，現代物理學的兩大支柱——廣義相對論和量子力學一定會交融到一起。目前，廣義相對論和量子力學都分別取得了偉大的成就，但是它們看起來卻不可調和。
  • 量子引力理論:物理界的聖杯,量子力學、廣義相對論的結合者
    但是在廣義相對論下的引力場不能應用重整化消除「無限」的影響，只能通過引入量子引力理論使重力場量子化，才能夠解決這個問題使得計算有限可行。 我們需要量子引力理論因為黑洞的熵並非無限大。黑洞的表面區域被稱為事件視界，它與黑洞的熵有關，可以用來衡量視界內部包含的信息量，單位信息承載需要的視界面積為2平方普朗克。
  • 白話2020諾貝爾物理學獎：一個即證明又推翻廣義相對論的獎項
    黑洞理論徹底擯棄了牛頓的萬有引力，取而代之的是愛因斯坦的廣義相對論自從牛頓發現萬有引力以來，可以說在地球上大多數時候還是適用的，但它無法解釋一些更深層次和地外的現象，更無法套用這個理論去探索宇宙。黑洞理論證明了，宇宙是可以通過數學方式計算出來的這次獲獎的三個人裡，有一個人直接分了一半獎金，他就是英國的羅傑·彭羅斯，但這個人，並非天文學家，而是個數學家。是他首先用數學的方式，計算出了黑洞的穩定存在，第一個為廣義相對論正名，那時候廣義相對論還在爭論中，他是繼愛因斯坦後對廣義相對論貢獻最大的人。
  • 黑洞中的奇點是什麼?
    這也難怪，霍金證明把廣義相對論應用到宇宙學時，就必然會出現奇點，所以有人認為這就是廣義相對論的局限表現，連廣義相對論也在此「點」失效。（抵抗力）都抵禦不了自身的引力，最後坍縮成這一點，這應該就是題主所說的黑洞中的「奇點」，這個奇點與宇宙大爆炸的奇點很類似，但我認為還是有所不同，黑洞的質量是有限的，所以它的「奇點」的質量不可能無限大（實際上宇宙是有限的，它的質量也不可能是無限的，因此宇宙奇點的質量也不應該是無限的）。
  • 探索奇點和它背後的故事
    現代物理學中存在著兩個有趣的問題，一個是量子力學上的薛丁格的貓究竟是死是活，另一個就是廣義相對論上的奇點到底存不存在。，通過廣義相對論和宇宙大爆炸理論證明了由於黑洞中心具有極高的引力，而導致時間和空間彎曲到了同一點處，並在該點處消失。
  • 被稱為「大一統」的超弦理論是憑什麼擊敗相對論和量子力學的?
    不過隨著時間轉到21世紀，越來越多的實驗證明了，無論是量子力學還是廣義相對論都沒能達到最深層的認識。在物理領域，我們使用的理論一般也只有一種：要麼是量子力學，要麼是廣義相對論。當然也有例外的情況——黑洞的奇點，也只有這種極其特殊的環境下才可能同時用到兩種理論。
  • 宇宙中最大的黑洞TON618是否有可能吞了整個宇宙?
    黑洞曾經是史瓦西用愛因斯坦的廣義相對論引力場方程中推導出來的一種天體，從理論上出現的那一天起就引人矚目，不僅僅是因為它是廣義相對論和量子力學衝突的焦點，還有是它的各種特殊屬性實在是太讓天文學家們好奇了！
  • 弦理論能解釋黑洞奇點處的物理現象嗎?
    所以這個奇點代表了廣義相對論自相矛盾的一點，愛因斯坦警告我們不要在那裡使用GR。「物理定律在奇點處崩潰」這句話來源於廣義相對論的自相矛盾之處。（請注意，這裡唯一會崩潰的是我們的理論，而不是實際運行宇宙的定律。）弦理論是唯一一個甚至有可能猜測黑洞內部的真實情況主要理論，（例如「模糊球」）。
  • 哈佛天文學院院長:我們可能已經探測到了裸奇點
    因此，儘管現有理論仍無法解釋奇點處發生了什麼，進入黑洞的物質去了哪，但這並不影響我們對事件視界之外的宇宙的認知。但是，有沒有可能存在不被視界包裹的，「赤裸」的奇點——「裸奇點」呢。如果裸奇點真的存在，那麼在我們所處的時空中，現有的物理定律也將失效，我們將失去利用廣義相對論預測未來事件的能力。