太空人掉進黑洞會怎樣?物理學兩大支柱對立面

2021-01-09 人民網

  信息悖論——掉進黑洞的物質會被擠壓到黑洞那無限緻密的核心去,但它所攜帶的信息會怎樣呢?以下有兩種情景的解釋:

  信息消失(左):當黑洞蒸發後,它所攜帶的所有信息會隨之消失。根據量子效應,真空中充滿了粒子—反粒子對,二者互相關聯。通常情況下,粒子—反粒子對出現後瞬間即湮滅,但如果這對粒子和反粒子是出現在黑洞的事件視界,其中一個就會掉進黑洞,而另一個會以霍金輻射的形式向外發出。「遇難」粒子以負能量被吸入,黑洞由此而損失質量,如果沒有普通物質落進去,黑洞最終將蒸發殆盡。黑洞中心是一個無限小且無限緻密的奇點,卻並不包含形成黑洞的物質信息。

  火牆(右):從黑洞輻射出來的所有粒子之間具有量子相關性,這些相關粒子攜帶著信息。輻射出的粒子與落入黑洞的粒子之間要打破關聯性,會釋放出巨大能量而在黑洞周圍形成一圈火牆。即使黑洞蒸發完之後,由於兩個粒子之間的關聯性,「逃逸」粒子也包含了「落難」粒子的所有信息。

  掉進黑洞的太空人會被扯成碎片還是被燒焦?這一問題從2012年夏天起就成了理論物理學界的爭論焦點,圍繞相關主題發表的文章超過了40篇,至今沒有結論。因為它把物理學的兩大支柱——廣義相對論的等效原理和量子力學直接擺在了對立面。

  如果一個太空人掉進了黑洞

  2012年3月,美國加利福尼亞大學聖芭芭拉分校卡弗裡理論物理研究所的弦理論學家約瑟夫·普金斯基開始思考「自殺」的問題——以數學形式進行的思想實驗:如果一個太空人掉進黑洞會發生什麼情況?很顯然他會死,但究竟怎麼個死法呢?

  按照當時公認的理論,最初他不會感到有任何特別,即使在他落到黑洞的事件視界時。事件視界是一個看不見的界限,在界限以內沒有任何東西能逃離黑洞的吸引。但最終,幾小時、幾天或幾個星期後,如果黑洞足夠大,他會開始覺察到拉著他腳的重力比拉著他頭的重力更強大,這種吸引力拖著他無情地向下落,重力差會迅速加大而將他撕裂,最終他的遺體會被扯得粉碎而落入黑洞那無限緻密核心。

  普金斯基和他的兩個學生艾哈邁德·艾姆哈裡、詹姆斯·薩利,加上該校的另一位弦理論學家唐納德·馬洛夫一起,對這一事件進行了重新計算。根據他們的計算,卻呈現出完全不同的另一番場景:量子效應會把事件視界變成沸騰的粒子大漩渦,任何東西掉進去都會撞到一面火焰牆上而被瞬間烤焦。

  研究小組在去年7月發表了他們的計算結果,震動了整個物理學界:因為這面火牆違反了基本的物理學法則——等效性原理。等效原理即引力質量和慣性質量等效,在任何一個時空點上都可以選取適當的參考系,使物質的運動方程中不再含有引力項,即引力可以局部地消除。按照這一原理,太空人掉進萬有引力場——即便是像黑洞那麼強大的引力場時,他所看到的實際景象和飄在太空的觀察者所看到的是一樣的。等效原理最早在一個世紀前由阿爾伯特·愛因斯坦清晰地提出,並作為他《廣義相對論》的基礎。如果等效原理不成立,愛因斯坦的理論框架也將瓦解。

  普金斯基等四人也深知這一推論可能導致的後果,所以還提出了另一種備選結局:沒有形成火牆。但這種解釋的代價同樣巨大,他們不得不犧牲量子力學,這是描述亞原子粒子之間相互作用的理論法則,也是物理學的另一根支柱。

  這一結果激起了一股研究火牆熱潮,物理學家們紛紛拋出各種方案試圖打破僵局,但還沒有一篇論文能解釋得讓所有人都滿意。面對這種狀況,聖芭芭拉分校的量子物理學家史蒂芬·吉丁斯說這是「一場物理學基礎的危機,需要一次革命才能解決問題。」

  上個月,物理學界研究黑洞的專家們齊聚在瑞士日內瓦附近的歐洲粒子物理研究所(CERN)召開會議,面對面地討論了這一問題,希望能打開一條通向「量子引力」統一理論的新途徑,將自然界所有的基本力囊括其中——或許這將成為物理學家們幾十年來未曾有過的榮耀。

  火牆的想法「動搖了大部分人所相信的黑洞理論的基礎」,加利福尼亞大學伯克利分校弦理論學家拉斐爾·布索在會議上說,「從根本上說,它把量子力學放在了廣義相對論的敵對面,卻沒給我們留下任何線索:下一步該朝哪個方向走?」

  普利什基爾與霍金的「賭局」

  說到「火牆危機」的根源,還要追溯到1974年。當時英國劍橋大學的物理學家史蒂芬·霍金證明,量子效應會使黑洞在達到一定溫度後變得孤立,然後黑洞會緩慢地發出熱輻射—光子及其他粒子—質量逐漸減少,直到完全蒸發掉。

  但這些粒子並不是火牆,落入事件視界的太空人不會注意到這種輻射,這是它與相對論所描述場景之間的細微差別。但霍金的結果依然令人震驚,因為按照廣義相對論方程的描述,黑洞只會吞噬質量而增長,並不會蒸發。

  基本上,霍金的爭論進入到了對量子領域的觀察,「空」間並非是真空,在亞微觀的尺度上,它處於一種持續不斷的動蕩漲落狀態:成對的粒子和反粒子不斷出現又迅速湮滅。只有在非常精微的實驗中,才能觀察到這種亞顯微程度的混亂。霍金意識到,當一對粒子—反粒子出現在黑洞的事件視界時,其中一個會落入黑洞,使它們不能再結合湮滅,倖存的那個粒子會以輻射形式向外發出,為平衡向外發出粒子的正能量,被吸入的粒子會以負能量進入——這是量子法則所允許的,負能量將從黑洞的質量裡扣除,從而使黑洞縮小。

  霍金的原始分析已經過提煉並由許多研究人員加以擴展,其結論現在已被廣為接受。但這也帶來了令人不安的現實,黑洞輻射對量子力學理論提出了質疑。

  量子力學認為信息不會消滅。從理論上說,通過檢測從黑洞發出輻射的量子態,就可能獲得掉進去的那個粒子的一切信息。但霍金指出事情沒那麼簡單:發出輻射是隨機的。擲一公斤的石頭或一公斤計算機晶片結果都一樣,看著黑洞直到它死亡,也沒辦法知道它是怎麼形成的或有什麼東西落到了上面。

  這稱為黑洞信息悖論。對這一問題,物理學家們分成兩個陣營:一派以霍金為代表,認為在黑洞死亡時信息真的會消失,如果這與量子法則相矛盾,則需另建更好的量子理論。另一派以加利福尼亞理工學院的量子物理學家約翰·普利什基爾為代表,則堅持站在量子力學這一方。「有一段時間,我很認真地試圖重新構建一個包含信息損失的替代理論。」 普利什基爾說,「但我找不到任何有意義的東西,沒人能找到。」

  這一僵局持續了二十年,直到1997年才有答案,這個答案現已眾所周知——當時普利什基爾與霍金公開打賭而獲勝,他認為信息不會丟失,因此從霍金那裡贏了一本棒球百科全書。但在當年,打破這一僵局全靠哈佛大學物理學家胡安·馬爾達西那的發現。

  馬爾達西那的發現建立在一個更早期觀點上,即宇宙中的任何三維區域都可以用二維邊界上的信息編碼描述出來,這和雷射以二維全息圖的方式給三維景象編碼非常類似。史丹福大學弦理論學家,也是全息理論創世人之一的萊昂納多·薩斯坎德說:「我們用『全息』這個詞作為一種隱喻。但經過更多數學推衍後,它似乎擁有了更實際的意義:宇宙是信息在邊界上的投影。」

  馬爾達西那提出的是一個關於全息理論的具體的數學方程,同時借鑑了超弦理論的觀點,假設基本粒子是由極微小的能量環振動而形成。他的模型描述了一個只受萬有引力統治的、包含了弦和黑洞的三維宇宙,經由一個二維面反射,其中的元素粒子和場域遵循普遍量子法則而無需萬有引力。住在此三維空間的居民永遠也看不到這個界面,因為它在無限遙遠的地方。但這並不重要:三維宇宙中發生的任何事都可以用二維宇宙中的方程同樣完好地表達出來,反過來也一樣。「我發現了一個數學詞典,能讓你在這兩個世界的『語言』之間來迴轉變。」 馬爾達西那解釋說。

  這意味著,即使是一個三維黑洞的蒸發,也能用二維世界的語言來描述,在這裡沒有萬有引力,只以量子法則為最高準則,這裡的信息也永遠不會丟失。如果這裡的信息能被保存,那也已訂購能被保存於三維世界中。但出於某種原因,信息卻在從黑洞中逸失。


 


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