科學家史蒂芬·威廉·霍金,因提出宇宙黑洞理論而舉世聞名。然而在2014年1月24日的一篇在線發表的論文中,表示「宇宙中沒有黑洞」,存在「灰洞」。這個理論震驚了物理學界,乃至整個世界。
霍金的黑洞理論為宇宙中最緻密的天體行為提供了一種可能性的解釋,日前這位大科學家在其作品中提到,宇宙中沒有「黑洞」,有的只有「灰洞」。該理論來源於一篇名為《黑洞的信息保存與氣象預報》的調查論文中,是霍金對黑洞的研究成果之一,他認為黑洞其實是一個擁有極端物理環境的「灰色地帶」,質能進入黑洞中後還會「回到」宇宙中,我們此前對黑洞的邊界理論認識是有待改善的,黑洞或不會永久性地保存質能信息,在某個時候會「釋放」出來,暫時稱該行為為「黑洞的蒸發」。
黑洞之所以被認為是「黑」的,在於其引力行為和事件視界上,在事件視界之外的物質行為才會被我們所察覺,而之內並不存在任何定義,即便是光線也無法逃脫黑洞的引力控制,因此在我們看來黑洞是「黑」的,這就像是宇宙中的單行道,僅能進去而出不來。霍金提出的「灰洞」理論認為黑洞還可以進一步向外傳遞質能信息,這就是說黑洞不是宇宙中的單行道,進去後還能「出來」。
霍金認為事件視界的理論需要進一步完善,事件視界並不是黑洞的邊界,黑洞可能存在一個明顯的「地平線」,黑洞內部出現的量子漲落使得黑洞如同一個灰色地帶,其也不違反任何廣義相對論和量子力學,這也意味著黑洞可以從宇宙中吸積「物質信息」,同時也可以向外輻射出信息。傳統的事件視界理論認為這是黑洞與外界的「界線」,如同一道防火牆,物質被黑洞吸積後落入黑洞中,並在兩極釋放出輻射。
理論缺陷
黑洞周圍的一個假設區域被稱為視界。霍金認為視界理論存在缺陷,光無法從中逃逸。試圖逃脫黑洞核心的光射線不會像由於找不到黑洞的邊界,因此「黑洞是不存在的」,這是為了解決「防火牆悖論」問題於新理論中設定「黑洞不存在」,其並非真不存在。如果霍金的理論正確,黑洞核心的奇點根本就不存在,甚至不排除「一切事物原則上能逃離黑洞」這種極端局面的可能性。霍金說:「在經典理論中,黑洞不會放過任何東西,量子理論允許能量和信息逃離黑洞。」因為現代量子物理學認定這種物質信息是永遠不會完全消失的,這種說法與量子力學的相關理論出現相互矛盾之處。
30多年來,霍金試圖以各種推測來解釋這一自相矛盾的觀點。霍金表示,黑洞中
量子運動是一種特殊情況,由於黑洞中的引力非常強烈,量子力學在此時已經不再適用了,霍金的這種說法並沒有讓科學界眾多持懷疑態度學者信服。
現在看來,霍金終於給了這個當年自相矛盾的觀點一個更具有說服力的答案。霍金稱,黑洞從來都不會完全關閉自身,它們在一段漫長的時間裡逐步向外界輻射出越來越多的熱量,隨後黑洞將最終開放自己並釋放出其中包含的物質信息。
霍金認為,受到黑洞引力的影響,能量和物質先是靠近——不會到達——黑洞中心,最終還會被釋放出去。不過,它們的信息在黑洞中不會毀滅,可被完全打亂,逃離之後面目全非,幾乎無法還原。
人被困在跑步機上那樣,它可以通過輻射洩露來慢慢收縮。霍金告訴《自然》雜誌:「在經典理論中,光無法從黑洞中逃脫,在量子理論中,能量和信息可以做到。」關於對其過程的完整解釋,霍金表示需要將重力和其他自然基本力的理論完美融合。
然而,近一個世紀以來,這個問題一直困擾著全世界的物理學家。霍金表示,「問題的正確解釋仍然是一個謎。」他提出的灰洞理論認為,物質和能量在被釋放到太空之前會持續一段時間。這個理論試圖解決這兩年來一直困擾著科學家們的黑洞防火牆悖論。
這篇新論文主要是試圖用這些觀點來解決防火牆悖論的問題。將事件視界的概念消除自然也就沒有了防火牆悖論。那麼接下來人們通常會認為量子信息自然就會丟失,但是霍金表示事實並非如此。他認為,黑洞在視界以下部分的結構是混亂的,這使得我們很難去推斷信息究竟是如何被釋放出去的。換句話說,霍金認為信息的丟失,是一種幾乎沒有辦法去解釋的現象,但這並不意味著實際上信息被毀滅了。霍金在文中寫道:「這就好像天氣預報一樣,我們沒有辦法預測超過一定天數之後的天氣的情況。」
霍金的論文很短,只有兩頁的文本,很難讓人從中得到任何站得住腳的結論,但這已經引起了一些研究者的質疑。Polchinski說道:「目前尚不明確他期望周圍的觀察者觀察到的現象。他的理論就好像用混亂牆的概念取代了防火牆的概念,但其實這兩者可能就是同一種物質。」英國約克大學的Samuel Braunstein 之前也積極的參與了關於防火牆悖論的辯論之中,他對霍金的觀點也不信服:「我真的沒有看到任何證據可以證明他所談論的東西裡面並不包含防火牆的概念。」
假如霍金是正確的呢?
如果黑洞真如霍金所描述的那樣,那將會在量子力學和廣義相對論中得到更好的解釋。Braunstein 說道:「我們可能會學到一些關於整個宇宙的簡單結構真正有意義的新的物理學知識。」但他同時也指出,我們也很可能沒有辦法學到,因為霍金可能是錯的。
犯錯:每個人都討厭犯錯誤,而霍金也不例外。在霍金70歲生日的時候,他接受《新科學家》採訪時表示:信息被黑洞所摧毀,這一觀點後來被證明是錯誤的,這被看作是他一生中「最大的錯誤」—至少在科學研究方面是的。