太空人墜入黑洞時會發生什麼?相對論與量子力學給的答案截然相反

2020-12-03 量子科普

大家好,歡迎收看量子科普第86期,我是常常,今天和大家聊一聊關於當太空人墜入黑洞時,究竟會發生什麼事?

黑洞是宇宙中一種體積極小,但是質量極大的天體,黑洞的體積究竟可以小到什麼程度呢?理論上是1.6 × 10^-35 米,這是普朗克長度,也是在物理學中有現實意義的最小長度,由於黑洞極大的質量,導致黑洞擁有驚人的引力,他去可以將所有的物質都吸入黑洞之中,就連光都無法從中逃出去,天文學家曾經做出過這樣一個假設:如果當太空人不幸墜入黑洞時,將會發生什麼事情呢?當然,距離地球最近的一個黑洞也是在人馬星A座,大約有26000光年的距離,我們根本不可能在現實中去做這個實驗,所以,這個假設只是一個理論實驗,但針對於這個理論實驗,愛因斯坦提出的相對論與量子力學給出的答案卻截然相反。

再講這個問題之前,需要先給大家普及一下事件視界是什麼意思,由於光會被黑洞吸進去,所以我們無法通過光反射的方式來觀察黑洞,所以黑洞的引力就形成了一種時空分隔區域,這個時空分區域的邊緣就是事件視界,在事件視界以外,觀察者無法利用任何物理方法獲得事件視界以內的任何事件的信息,事件視界也是從黑洞發出的光能夠運動的最遠距離。

愛因斯坦的相對論認為:如果太空人不幸墜入黑洞,當太空人被引力吸入事件視界之內時,太空人並不會感到有什麼特殊的反應,太空人只不過是被囚禁在事件視界中了,究竟事件視界會將太空人囚禁多久?無法估計,因為在黑洞中,時間、空間已經完全被扭曲,但始終會有這麼一天,事件視界會消失,黑洞中被囚禁的太空人會以另一種形式被釋放出來(霍金輻射),只不過黑洞這種向外釋放物質的方式,可能人類無法辨認,也就是等到太空人被釋放出來的時候,太空人是否還是太空人?這是一個未知數。

而根據量子力學的觀點來看,黑洞強大的引力會導致黑洞周圍的量子漲落更加劇烈,這會使在黑洞的事件視界之內會形成一個清晰的分界線,這道分界線就想一堵可以焚盡任何物質且不留一絲痕跡的火牆一樣,當太空人碰上這堵牆時,太空人將瞬間被焚成灰燼。

對於相同的一個問題,相對論與量子力學給出的答案竟然截然相反,其背後反映的本質是解釋宏觀高速世界的相對論與解釋微觀量子領域的量子力學無法相融的問題,而黑洞中那堵火牆是否真的存在?美國加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的史蒂夫·吉丁斯已經建立了一個簡單的黑洞模型,在史蒂夫·吉丁斯的這個黑洞模型中,史蒂夫·吉丁斯已經提出了如何避免出現火牆的結論,但這個結論成立的前提是:在微觀量子領域中,信息的傳播速度可以穿越光速。

可是一旦這個前提成立,現代物理體系的絕大部分規律將瞬間崩塌。

相關焦點

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    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。
  • 逃出黑洞,量子資訊必須掙脫黑洞的枷鎖,才能挽救量子力學!
    不過,黑洞的存在威脅了現今物理學的基礎;一般認為,量子力學的基本原理支配了其他的自然定律,用於黑洞時卻產生矛盾,暴露出這些定律的當前形勢有所缺失。這個問題源自一道關於黑洞的最簡單疑問:當物質墜入黑洞時會發生什麼事?在此,需稍加鋪陳,才能充份解釋這道疑問。首先,根據目前的量子力學法則,物質與能量可在不同的形態間轉換,例如粒子可變成不同種類的粒子。
  • 愛因斯坦相對論與量子力學的結合取決於引力
    目前有一種簡單修改過的(幾乎可以說是太簡單)理論能允許相對論和量子力學很好地共存:使用應力-能量張量的期望值,從而替代表示應力-能量張量的量子算子。這些數據可以代入到愛因斯坦的場方程中。這種方法被稱為半經典引力,而且它的效果不錯。除了大爆炸之後的瞬間或黑洞深處的奇點附近,半經典引力可以精準地描述所有地方。也就是說,我們永遠無法通過實驗來探索的地點和時間。
  • 廣義相對論與量子力學的終極矛盾——黑洞奇點
    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
  • 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。
  • 相對論和量子力學的主要矛盾是什麼?
    當然,以上我們提到的其實都是狹義相對論的內容。而廣義相對論則是狹義相對論的一種推廣,狹義相對論說白了研究是的慣性系下的運動,也就是時空是平直時的運動情況。而廣義相對論推廣到了一般性的情況,即使是時空發生了彎曲,也同樣適用。愛因斯坦發現,引力會引起時空的彎曲。
  • 太空人掉進黑洞會怎樣?物理學兩大支柱對立面
    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?
  • 量子力學表明黑洞視界上會有量子纏結
    儘管在近期不會有任何人類落入黑洞,但設想一下如果它的確發生了,那麼這將是一種探測宇宙最大謎題之一的偉大方式。這導致了所謂的黑洞防火牆悖論--黑洞一直都是宇宙謎題的來源。     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。你將先被黑洞的潮汐力撕裂,這個過程被稱為義大利麵化(spaghettification)--指在強引力場中物體因潮汐力作用產生的拉伸形變。
  • 墜入黑洞會發生什麼?
    這些答案只有當你進入黑洞或許才能夠了解,當然,這是一個有去無回的旅程,如果你做好了心理準備,那麼來聽聽科學家講述墜入黑洞的情況。距離奇點的範圍內,在這裡,萬有引力是如此之大,以至於任何東西,甚至光本身,都無法逃脫黑洞的魔爪。如果你不幸跌到這個界限以下,那麼很遺憾,無論你多麼努力地發射火箭,你都會發現自己已經無法逃離這個範圍,墜入深深的黑暗,最終死亡。
  • 黑洞最大的謎團,揭開謎題將有助於量子力學和相對論完美融合
    現代科學持續不斷地破解了黑洞的秘密,包括其周圍的奧秘,但是某些問題始終解決不了。所有黑洞物理學中最深層的問題是:黑洞的對面是什麼?如果將一個物體扔進黑洞會有什麼結果?所有的信息都會丟失嗎?但如果一個黑洞極其細小,量子力學將和廣義相對論合併起來了!我們都知道,量子力學統治著微觀世界,比如電子,中子和其他次原子微粒,而廣義相對論適用於宏觀世界,在那裡受著普通的萬有引力的支配,比如行星,恆星和星系。
  • 這種猜想可能將實現相對論和量子力學的大一統!
    現代科學有兩大支柱,一種愛因斯坦創立的相對論,一種是無數量子大師創立的量子力學。在平常生活的領域中,牛頓三定律基本可以完美解決問題。但是當物體被放大到天體層面時,牛頓力學便呈現了局限性,需要相對論來補充了。
  • 如果你掉進黑洞會發生什麼?撕碎還是壓扁?
    黑洞不是他們傳聞中的宇宙吸塵器, 但你仍然可以掉進一個嗎?你會怎麼樣?這個問題的回答取決於你問誰(多虧了量子引力)。由於愛因斯坦的廣義相對論,一個幫助我們了解空間和時間在強重力存在下的行為框架,我們可以預測將發生在我們身上的具體細節,而不必自己經歷它。答案是令人驚訝的,因為你得到一個不同的取決於你問誰。你,作為落體者,會經歷一個與我從外部觀察者所見到的截然不同的現實。
  • 這個新方程可以統一廣義相對論與量子力學
    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。當今物理學家的目標之一就是將它們合併在一起,並希望最終得到一個「量子引力理論」。但到目前為止,所有的努力都還沒有成功。
  • 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
    我們需要引入量子引力理論因為在量子力學的計算中會受到「無限」的困擾,量子力學中假設時空可以被無限分割為更小的單元,根據假設,物理過程和場強度是越來越小的尺寸的加和,除非使用「重整化」的數學手段,否則這些無限小單元的無限加和就會導致計算的「爆炸」。
  • 【新概念法則】「黑洞不黑」實為「灰洞」
    相對論和量子力學關於黑洞的矛盾  相對論和量子力學是上世紀物理學的兩項重大成果。在研究宇宙和天體運動的宏觀領域,廣義相對論可用於解決引力問題,而在量子理論大顯神通的微觀世界中,引力非常微弱,大多數情況都可以對其效應不予考慮。
  • 用量子糾纏效應,解開墜入黑洞的萬物信息!
    當物質在黑洞中消失時就會發生混亂,在這個物質上的信息(它所有成分的身份信息,甚至是它最基本的粒子能量和動量)被混亂地與所有其他物質和內部信息混合在一起似乎使它不可能被檢索。這就導致了所謂的「黑洞信息悖論」,因為量子力學認為信息永遠不會丟失,即使信息在黑洞中消失了。因此,儘管一些物理學家表示:墜入黑洞視界的信息會永遠消失。
  • 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?
    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。
  • 相對論和量子力學是相輔相成還是水火不容,科學家:未來或將統一
    現在科學有兩大基本理論,第一個為愛因斯坦創立的相對論,第二便是由N個人創立的量子理論。雖然在日常生活中牛頓力學已經可以勝任大多數的問題,但是在微觀世界來看牛頓力學僅僅是一種極為特殊的現象,此時量子力學便粉墨登場。首先我們來說一說相對論的主要產物,他就是黑洞。
  • 如果太空人掉進黑洞會怎樣?扯成碎片,還是被燒焦?
    如果太空人掉進黑洞會怎樣?扯成碎片,還是被燒焦?問題看似無聊,但卻毫不客氣地把量子力學擺在了廣義相對論的敵對面——因為按照曾經公認的理論,太空人最終會在黑洞的「奇點」被粉碎,落入黑洞無限緻密核心;而按照量子效應,「事件視界」則會變成一個高能區域,就像面「火牆」,任何東西一觸即焦。
  • 看完這部紀錄片,你就知道相對論和量子力學到底在講什麼了
    相對論和量子力學,上世紀科學史上最璀璨的兩顆明珠。經常會聽到相對論和量子力學的相關消息,但總是與高深理論等字眼聯繫在一起,普通人似乎無法接近。但這部紀錄片——《宇宙的構造》,用同通俗的語言和絢麗的畫面向大眾科普了相對論和量子力學,普通人看完這部紀錄片,基本就能了解相對論和量子力學主要講了些什麼。紀錄片共4集,第一集講空間;第二集講時間,第三季將量子力學,第四集講多重宇宙。相對論分為狹義相對論和廣義相對論,舉幾個典型的例子,看看格林是怎麼用畫面來講述狹義相對論的。