落入黑洞一定灰飛煙滅?衝入奇點或許能看看內部-黑洞,奇點 ——快...

2021-01-15 快科技

長時間以來,物理學家一直堅稱人類不可能揭開黑洞之謎。任何物體一旦進入黑洞便一去不返,無法開展研究。少量物質和能量也許能夠以「霍金輻射」的形式逃離黑洞的魔爪,但任何落入黑洞的物體都將從實體宇宙中消失不見。

現代物理有這樣一條基本假設:任何物體只要落入黑洞,就無法再聯繫到它,也無法預測其未來情況。任何觀察者都不可能在黑洞內部存活,甚至來不及瞥一眼四周,就會徹底湮滅。

然而,一群來自葡萄牙、加拿大、荷蘭和美國的數學家和物理學家則試圖在該假說中找到一個缺口。目前該研究規模還很小,但已經在學界激發了不少興趣和相關研究。

研究人員在在1月17日發表在期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的論文中指出,在一些極端情況下,理論中的觀測者能夠穿越黑洞邊界,且不會立即毀滅。假如你駕駛堅不可摧的宇宙飛船衝入這些奇點(即黑洞的物質和能量全部消失的點)的事件邊界,也許還能活著看一眼黑洞內部的模樣。

這一理論如同在黑洞之謎上敲開了一道小小的裂隙。

要理解這對物理學家而言為何如此重要,首先要明白他們是如何看待宇宙的。

宇宙審查假說(cosmic censorship hypothesis)指出,黑洞邊界如同一堵密不透風的牆,不可能觀測其內部情況。該假說由數學家羅傑·潘洛斯(Roger Penrose)於1969年率先提出,後來史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)、基普·索恩(Kip Thorne)等人對該假說展開辯論。

幾十年來,該假說屢經修改,但始終未被列為正式理論。但對一些研究人員而言,它就像一種信仰,能夠完美整合現代宇宙模型中一些尚未弄清的問題。

但此次新發表的論文認為,宇宙審查假說在這些特殊黑洞的邊界區域無法成立。如果觀察者能夠突破可預測、可觀測區域,深入黑洞中的神秘地帶,就意味著物理學有望將未知變為已知。

宇宙:一座未來牢籠

物理學家希望宇宙能像鐘錶一樣運行。設置好所有原始條件,把這顆恆星放在這裡,那顆行星安在那裡,再在那邊角落裡放一波能量,接下來就交由宇宙法則決定整個系統如何隨時間變化。

物理學家假定所有物質都遵循隱形的「軌道」運行,從一個目的地奔赴下一個目的地。雖然人類和超級計算機預測未來的能力有限,但物理學家一般假定,未來如何早有定數。就連古怪隨機的量子力學,其實也並未違背這條根本性的物理學決定論。

「在量子力學範疇內,有些事情當然是無法由決定論預測的,比如原子何時會衰變等。」加州大學伯克利分校數學家、克雷數學研究所的助理研究員皮特·辛茨(Peter Hintz)在採訪中表示,「但我們可以預測量子可能衰變時間(和不可能衰變時間)的概率分布情況。」

從量子力學來看,宇宙由眾多不斷變化、相互交織的概率分布組成,這無疑比牛頓、甚至愛因斯坦構建的世界觀複雜得多,也令人困惑得多,但它本質上仍未脫離決定論。

世間萬物都被禁錮在自己命定的軌道上,鬥轉星移,始終不變。

黑洞:或打破牢籠

決定論唯一失效的地方便是奇點內部。如果將足夠的質量和能量壓縮在一起、使其坍縮成為一點,愛因斯坦法則便會失靈。突然之間,物理法則開始使不可能成為可能,使有限的答案成為「無限」。

奇點處的引力有多大?無窮大。奇點處的時空彎曲度有多高?無窮高。

在這種情況下,我們熟知的物理學可謂束手無策。

無論奇點內部會發生什麼,現代物理學都無力解釋。而根據潘洛斯對宇宙審查假說的解釋,我們所在宇宙中的科學家永遠無法獲知真相。

時空的結構決定了我們註定與事實無緣:所有已知的奇點要麼被封鎖在黑洞事件邊界內部,要麼隱藏在宇宙大爆炸之初那段不為人知的歷史中。

灰飛煙滅

雖說今年1月17號發表的那篇論文只是冰山一角,但它捅開的裂隙很可能越變越寬,直至顛覆整個宇宙審查假說。

辛茨和同事們指出,在特定情況下,黑洞周圍的「死亡之牆」的確有可能瓦解。

在科學家探討黑洞邊界附近區域的宇宙審查假說應用情況時,討論重點之一便是能量在接近奇點時如何表現。

正統觀點認為,時間在黑洞附近會放慢速度(如果你看過《星際穿越》你肯定明白這一點)。如果在一名太空人朝事件邊界墜落的過程中向其發射一束白光,從太空人的視角來看,時間的膨脹效應便會導致光線變化。對太空人來說,時間流逝得越來越慢。但光源所處位置不變,光線一波波抵達的速度也不變。

這樣一來,每道光波波峰到達太空人所在處的時間便似乎越來越快。這些電磁輻射(可見光也是其中一種)的波峰傳遞至太空人處的速度越來越快,也就意味著在太空人看來,波的頻率不斷加快。隨著頻率增加,光線相對太空人發生藍移,每秒攜帶的能量便越來越多。

在太空人看來,這道溫和的閃光不久便會變成一束熾熱的伽馬輻射。因此,就在奇點使空間高度扭曲、無從辨認的邊界上,時間似乎完全靜止,頻率激增至無限高,能量也趨於無窮大,絕對不容生命存活。

這是可理解的物理範疇的最後防線,就像神話中看守地獄之門的三頭犬一樣,防線背後便是無窮無盡的虛空。它仿佛在警告人們:只要來到這裡,你就會徹底湮滅。

帶電黑洞

然而,事實也許未必如此。按照辛茨和同事們建立的模型,上述能量藍移之牆亦有消失的可能。

「在我們研究的模型中,宇宙中只有一個黑洞,並且宇宙已處於演化末期,我等其餘物質早已灰飛煙滅,或者消失在了遙遠的奇點中。」辛茨解釋道,「這是一個漆黑、荒涼的世界。」

而他們描述的這個黑洞也不同尋常,帶有很強的電磁電荷。

正常情況下,強帶電粒子總會相互吸引、然後互相抵消。世界上強電荷有很多,例如用氣球摩擦頭髮後、頭髮就會帶上電荷。但大型物體所帶電荷總能互相抵消,使總電荷為零。因此辛茨指出,他們此次研究的黑洞不太可能存在於真實宇宙之中。

不過,物理學家還是會研究帶電黑洞,因為它們和快速旋轉的黑洞非常類似。只不過後者雖然存在,卻難以進行計算。

「電荷就類似於角動量。」辛茨指出。兩者並不完全相同,但效果相似,因此物理學家有時在研究黑洞時會將兩者進行對換。

結果發現,當黑洞所帶電荷足夠強時,另一種效應便會勝過藍移效應,也許能拯救上面那位倒黴太空人的生命:能量在接近黑洞時會逐漸衰減,而在該研究中,能量衰減的速度竟然超過了藍移速度。因此能量不會在黑洞邊界附近激增至無窮大,而是恰好相反,在邊界處逐漸消逝。

「如果你在越過事件邊界之後還能僥倖存活,決定論就會不攻自破,因為你無法預測此後會發生什麼。」辛茨說道。

爆炸效應

一石激起千層浪。該理論出現後,迅速吸引了大量後續研究。

1月29日,另一支數學家和物理學家團隊在網站arXiv上發表論文,目前正等待同行評審。他們在論文中研究了同一個問題,只不過研究對象是更常見、也更難建模的快速旋轉黑洞。

他們發現,如果沒有辛茨等人設想的「帶電黑洞」這一極端條件,宇宙審查假說仍然完整有效。在他們創建的模型中,能量束接近奇點時仍然會衰減,但速度不夠快,無法阻止致命的藍移效應。在現實與虛無的邊界,仍可能燃起煉獄般的大火。

辛茨強調,他和同事們構建的宇宙模型「離現實相去甚遠」,但此類抽象研究能夠在人們廣泛接受的現實概念中打開缺口,以實驗物理無法企及的方式,探索全新的研究領域。

「對於黑洞的內部情況,很難從外部獲取確鑿的證據。」辛茨指出。

但此次研究說明,不管我們有沒有這個眼福,宇宙中也許總有某種東西能一瞥黑洞內部的真相

相關焦點

  • 黑洞中的奇點是什麼?
    因此這個黑洞「奇點」應保留著「密度無限大和體積無限小」的描述。咱們再來看看溫度是否無限大?但事情已經發展到這個地步,也只好對不起他老人家了,黑洞理論現在已經讓霍金髮展的很有模樣了。在廣義相對論中所描繪的黑洞是由「奇點」和包圍住它的「事件視界」構成,所謂的「事件視界」就是速度最快的光也無法逃出黑洞的最大區域邊界,任何物體一旦進入事界以內,就永遠無法離開這個區域,就連物體發出的光也無法逃離,因此理論上外界觀察者無法觀測到黑洞視界內部的現象。
  • 如果宇宙來源於奇點大爆炸,奇點哪來的?科學家猜測或許在黑洞裡
    今天小編要帶大家了解的是:如果宇宙來源於奇點大爆炸,奇點哪來的?科學家猜測或許在黑洞裡對於宇宙的起源,普遍讓大家所接受的一個理論就是奇點大爆炸。也就是說,宇宙在那一個瞬間就誕生了,而且速度非常快的向外膨脹。只是如今宇宙也依然在向外膨脹過程中,在未來到底宇宙能擴張到什麼地步,是一個未知數。
  • 黑洞的體積並非黑洞的實體,黑洞的實體是奇點,奇點有多小?
    黑洞擁有極強的引力,所以在黑洞附近的一定範圍內,逃逸速度超越了光速,包括光在內的所有物質都無法逃逸而出,這就構成了一個不可見的絕對「黑域」,這個「黑域」的邊緣就被我們稱之為視界,在黑洞視界之外,逃逸速度小於光速,所以便可見了。黑洞的實體通常認為黑洞的實體就是奇點,奇點是一個密度無限大而體積無限小的點,擁有極強的引力。
  • 黑洞奇點和宇宙大爆炸奇點有什麼不同?宇宙奇點的來源或也是黑洞
    根據宇宙大爆炸學說,我們的宇宙最初就誕生於一個奇點;而根據現在的黑洞理論學說,也認為在黑洞的中心有一個奇點,那麼誕生宇宙的奇點和黑洞中的奇點,又有什麼相同和不同之處呢?黑洞的奇點是黑洞中的物質匯聚點,它被認為是體積無限小而密度無限大,它的產生是由於黑洞的產生才形成的;而宇宙大爆炸的奇點也被認為是宇宙中物質能量最初的匯集之處,也可以認為它是體積無限小和密度無限大,所以黑洞的奇點和宇宙誕生的奇點說起來也是很相似的。
  • 黑洞是什麼?黑洞還有很多種?奇點也不止一個?
    通過把一定的質量代入史瓦西半徑公式,就可以計算出一個半徑,而當所有的質量都集中到這個半徑以內時,這個天體就會變得不可見,因為宇宙中速度極限的光速也無法從這個半徑範圍內逃離了,這個半徑構成的一個球面稱為視界面,而這個視界面作為邊界的球形天體就叫黑洞。嚴格說這個叫史瓦西黑洞。
  • 黑洞中心是什麼?事實上奇點並不存在
    事實上奇點並不存在(神秘的地球uux.cn報導)據新浪科技:黑洞中心的奇點是終極的「無主之地」:在這裡,物質被壓縮到一個無限小的點,所有關於時間和空間的概念都被完全打破。事實上,奇點並不存在;必須有什麼東西取代奇點,但我們還不確定是什麼。接下來,讓我們來探索一些奇怪的可能性。
  • 宇宙大爆炸前奇點與黑洞奇點都是由物質組成的嗎?
    有些科學家認為是一種真空零點能,裡面充滿了海森堡不確定性原理的量子漲落。但這只是一種可能,對於這個所謂的真空零點能沒有任何證據證明,只是一種猜想。奇點是一個無限小的事物,無限小就是不知道有多小。人類理論上最小的尺度就普朗克尺度,即10^-33釐米,小於這個尺度對於人類就沒有任何意義。
  • 黑洞奇點和大爆炸奇點有什麼區別?
    黑洞奇點是在一顆質量非常大的恆星的核心坍塌出一個事件視界後形成的。由於這些奇點是極小的,他們擁有無限的密度。黑洞(bing)它們兩者的差別是,黑洞奇點顯然不可能包含宇宙中全部的物質和能源,因為它們太多了。然而大爆炸只有一個奇點,而且它包含了整個宇宙。另一個差別是空間和時間是由宇宙爆炸的奇異性產生的,而黑洞實際上將空間擴展到了可能撕裂時空結構並完全結束時間的地步。
  • 黑洞奇點和大爆炸奇點有什麼區別?
    黑洞奇點是在一顆質量非常大的恆星的核心坍塌出一個事件視界後形成的。由於這些奇點是極小的,他們擁有無限的密度。,黑洞奇點顯然不可能包含宇宙中全部的物質和能源,因為它們太多了。如果您考慮的是一個簡單的不迴轉的黑洞,我真的無法想到這兩者奇點之間的區別(除了一個存在於宇宙之中然而另一個「就是宇宙」—但是這是無關的)。在這兩種情況下,奇點就是一個時空曲率無窮的簡單的點。大家相信在這個點廣義相對論(幾乎被公認為是對重力的精確描述)不再成立。迴轉黑洞的奇點基本上也是這樣,只不過它存在於一個環中(因此被命名為環奇點)。
  • 宇宙大爆炸中的奇點和黑洞中的奇點是一樣的嗎?
    最根本的區別就是黑洞中心奇點是處在黑洞裡的奇異時空裡,本質上它還是處在時空當中,雖然它把周圍時空彎曲得很嚴重,但並沒有把周圍整個時空卷進奇點裡。而宇宙大爆炸奇點則不同,它並非處在時空裡面,而是它本身包含了一切,除它以外,宇宙一無所有。
  • 在黑洞大引力面前,光在黑洞表面或內部會加速嗎?
    讓我們一起來看看,一束光從靠近黑洞到進入黑洞之後將發生哪些有趣的故事。為了簡化回答,我們下面淘來的黑洞都是完全球對稱的史瓦西黑洞。首先,為了解答這個問題,我們需要來了解一下黑洞的一些性質。就如這些天隨著人類首張黑洞照片科普的那樣,想必小夥伴們對黑洞的知識也已經有了一個大概的了解。黑洞就是那種質量超級大、引力超級強大的一種天體。
  • 弦理論能解釋黑洞奇點處的物理現象嗎?
    即使是這些理論的創造者也將奇點視為理論中的錯誤,而不是實際的科學主張。最著名的奇點是來自愛因斯坦廣義相對論的黑洞奇點。但是愛因斯坦自己拒絕承認這種奇點是他自己理論中的一個錯誤。奇點的出現並不是因為物質不能任意集中。這是一個事實,否則,構成的粒子將達到光速。
  • 為什麼天文學家把黑洞內部的奇點描繪成一個『甜甜圈』
    時間上的一瞬,空間上的一點,加起來才是黑洞的奇點。黑洞研究:從方程式裡的數字,到實際研究中的數據無限小的點,無窮大的質量,宇宙中一切皆有可能!圖源:xinhuanet)黑洞從根本上說是一種四維事物,時空的綜合產物,而不僅僅是空間。特別是,史瓦西黑洞的奇點不僅是空間中的一點,也是時間上的一瞬。研究者們在一個史瓦西事件視界裡面發現了一個塌陷的宇宙,而且隨著時間推移其密度變得越來越大,直至密度變得發散的那一刻來臨,世界線終止、再無未來可言。這從時間上說就是奇點,不是空間中的某點。
  • 為什麼天文學家把黑洞內部的奇點描繪成一個『甜甜圈
    在量子場論中,該詞彙和真空能量是等義詞,指的空無一物的空間仍有此一定能量存在,對一些系統可以造成擾動,並且導致一些量子電動力學會出現的現象,例如蘭姆位移與喀希米爾效應;它的效應可在納米尺度的元件直接觀測的到。
  • 黑洞中有個奇點,宇宙起源也是奇點,那麼黑洞是宇宙的起源嗎?
    現代量子力學認為,宇宙起源於虛無中的量子漲落,起源於真空中爆發的奇點。奇點是什麼,就是一個體積無限小,曲率無限高,溫度無限高,密度無限大的存在。宇宙奇點和黑洞奇點都是這樣表述的,看起來差不多,但產生的原因和根源卻有很大區別。
  • 旋轉的黑洞會裸露出奇點,裸奇點的存在可能對宇宙產生危害
    黑洞中心聚集了黑洞的所有質量,它是一個密度無窮大的點,被稱為奇點。根據主流的物理理論,黑洞有一個邊界稱為事件視界,一旦越過這個邊界,連光都無法逃脫。當大質量恆星消耗完燃料之後,它就會在自身引力的作用下坍縮成黑洞。但是,當這種情況發生時,奇點自然會有一個視界。但是,當我們更詳細的觀察廣義相對論所涉及的數學時,我們會發現理論上裸奇點是可以存在的。克爾黑洞是一類可以旋轉的黑洞,當黑洞開始旋轉的時候,它就可以在外面的視界範圍內形成第二個視界。黑洞旋轉得越快,兩個視界靠得越近。
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    但下一個驚人的事件要輪到你來完成了:你要進入一個巨大的黑洞之中,看看黑洞視界的另一邊到底是什麼。你會在裡面發現什麼呢? 接近黑洞 首先我們需要澄清一些定義。黑洞有很多種:大的,小的,有帶電荷的,有不帶電荷的,有快速旋轉的,還有靜止不動的。
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    今天聊到黑洞奇點的奇異性,為方便表述,下面的全部討論都將建立在靜態球對稱的史瓦西黑洞上。 當我們在黑洞的視界內部,選取一條徑向路線,使得dθ,dφ全部為0,右邊第二項則會變為0,這時會發現時空度規僅僅剩下兩項(原來的第一項和第三項),第一項c∧2dt∧2的係數為時間度規,第二項dr∧2的係數為空間徑向度規,參見下面兩圖。
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    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
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