黑洞通往何處?

　　現在，你準備好要跳入一個(gè)黑洞。如果你能想辦法活下來(lái)(盡管這困難重重)，等待著(zhù)你的是什么呢?如果你想方設法地要回頭，最終你會(huì )去到哪里，又會(huì )經(jīng)歷怎樣動(dòng)人心弦的故事呢?

　　就像理查德·馬西(Richard Massey)教授所說(shuō)的那樣，所有這些問(wèn)題都有一個(gè)簡(jiǎn)單的答案：“沒(méi)人知道。” 作為杜倫大學(xué)計算宇宙學(xué)研究所皇家學(xué)會(huì )的研究員，馬西深知宇宙充滿(mǎn)了未解之謎。“落入黑洞邊界其實(shí)就是跨入了未知世界——一旦掉進(jìn)去，沒(méi)人能夠發(fā)條訊息回來(lái)，”馬西說(shuō)，“他們會(huì )被巨大的引力撕成碎片，所以我不相信有人掉進(jìn)黑洞之后，還能去別的什么地方。”

　　如果這個(gè)答案聽(tīng)起來(lái)令人失望，這也是意料之中的。在愛(ài)因斯坦的廣義相對論根據時(shí)空和引力的關(guān)聯(lián)預言出黑洞之后，人們知道黑洞源自大質(zhì)量恒星死亡后遺留的小而致密的核心。如果這個(gè)核心的質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)的 3 倍，在巨大的引力作用下它會(huì )發(fā)生坍縮，直至所有物質(zhì)匯聚到一個(gè)點(diǎn)(也就是奇點(diǎn))，而這個(gè)奇點(diǎn)就是黑洞密度無(wú)限大的核心。

　　由此產(chǎn)生的黑洞有著(zhù)巨大的引力，甚至連光都無(wú)法逃離它。德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)提出了“事件視界”(event horizon)的概念：一旦光線(xiàn)或物質(zhì)越過(guò)事件視界，就永遠無(wú)法逃脫了。根據馬西的解釋?zhuān)咏诙磿r(shí)，你的身體會(huì )因潮汐力作用被劇烈拉伸(也被稱(chēng)為“意大利面化”)，最終到達奇點(diǎn)。至于你會(huì )出現在另外什么地方——比如黑洞另一面——的想法，看起來(lái)都只是天方夜譚。

　　如果是蟲(chóng)洞呢?

　　多年來(lái)，科學(xué)家一直在探索，黑洞是否有可能成為通向其他星系的蟲(chóng)洞。有人甚至猜測，蟲(chóng)洞可以通向另一個(gè)宇宙。

　　這種想法的產(chǎn)生已經(jīng)有些時(shí)日了。早在 1935 年，愛(ài)因斯坦就與內森·羅森(Nathan Rosen)合作提出相關(guān)理論，認為宇宙中可能存在連接兩個(gè)不同時(shí)空的隧道。但直到 20 世紀 80 年代，這種理論才流行起來(lái)。當時(shí)，天體物理學(xué)家基普·索恩(Kip Thorne)推動(dòng)了一場(chǎng)討論，主題就是物體是否能穿越蟲(chóng)洞。

　　馬西表示：“當我還是個(gè)孩子的時(shí)候，我讀了基普·索恩關(guān)于蟲(chóng)洞的暢銷(xiāo)書(shū)，這本書(shū)讓我對物理產(chǎn)生了興趣。”不過(guò)，現在看來(lái)蟲(chóng)洞似乎并不存在。

　　索恩曾是好萊塢電影《星際穿越》的科學(xué)顧問(wèn)，他在自己的著(zhù)作《星際穿越中的科學(xué)》一書(shū)中寫(xiě)道：“我們沒(méi)能在任何天體衰老的過(guò)程觀(guān)察到蟲(chóng)洞的存在。”索恩表示，穿越這些理論隧道的時(shí)空旅行很可能只存在于科幻小說(shuō)中，根本沒(méi)有可靠證據能表明黑洞允許這樣的穿越。

　　然而問(wèn)題是，我們沒(méi)辦法接近并親自觀(guān)察它們。我們甚至無(wú)法拍攝黑洞內部的任何照片——既然光線(xiàn)無(wú)法逃脫黑洞的巨大引力，那么相機根本無(wú)法捕捉其中的影像。目前的理論表明，任何越過(guò)事件視界的物體都會(huì )成為黑洞的一部分。更重要的是，由于事件視界附近的時(shí)間也彎曲了，這一過(guò)程會(huì )變得極其緩慢，因此我們沒(méi)辦法很快得到答案。

　　“我認為標準的故事答案是黑洞會(huì )通向時(shí)間的終結，” 哈佛大學(xué)天文學(xué)教授道格拉斯·芬克拜納(Douglas Finkbeiner)說(shuō)，“一個(gè)遙遠的觀(guān)察者無(wú)法看到自己的宇航員朋友是如何落入黑洞的。由于引力的紅移效應，我們觀(guān)察到的接近事件視界的一切都會(huì )不斷變紅、變暗淡。但這位朋友最終會(huì )落入黑洞，去到一個(gè)超越‘永遠’的地方，無(wú)論那意味著(zhù)什么。”

　　也許黑洞能通向白洞

　　誠然，如果黑洞能夠通往星系的另一端或者另一個(gè)宇宙，那么出口需要有與黑洞相反的東西。那會(huì )是白洞嗎?俄羅斯宇宙學(xué)家伊戈爾·諾維科夫(Igor Novikov)在 1964 年提出了白洞理論，他認為一個(gè)黑洞連接著(zhù)一個(gè)存在于過(guò)去的白洞。與黑洞相反，光和物質(zhì)能夠離開(kāi)白洞，但是無(wú)法進(jìn)入。

　　科學(xué)家一直都在探索黑洞與白洞之間的潛在聯(lián)系。2014 年，物理學(xué)家卡洛·羅維利(Carlo Rovelli)和哈爾·M·哈加德(Hal M. Haggard)在一項發(fā)表于《物理學(xué)評論D》上的研究中闡述道：“有一個(gè)經(jīng)典度量可滿(mǎn)足有限時(shí)空區域之外的愛(ài)因斯坦方程，在那里物質(zhì)坍縮成黑洞，然后又從白洞中出現。” 換句話(huà)說(shuō)，黑洞吞下的所有物質(zhì)都可能被拋出，而黑洞死亡后有可能變成白洞。

　　黑洞的坍縮并不會(huì )破壞其中的信息，相反它會(huì )經(jīng)歷一次量子反彈，允許所有的信息逃逸。如果事實(shí)如此，這就能在一種程度上解釋斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)曾經(jīng)提出的理論。20 世紀 70 年代，霍金探討了由于量子漲落而導致黑洞釋放粒子和輻射的可能性。

　　芬克拜納說(shuō)：“霍金認為黑洞的壽命是有限的。”1976 年，霍金在《物理學(xué)評論D》上發(fā)表了相關(guān)論文。根據他的計算，黑洞會(huì )因為輻射而損失能量、收縮并最終消失。因為霍金提出黑洞發(fā)射的輻射是隨機的，并且不包含任何落入其中的信息，黑洞的爆發(fā)將抹去大量信息。

　　這意味著(zhù)霍金的想法與量子理論相矛盾，因為量子理論認為信息是守恒的。如果信息會(huì )丟失，那信息搜索就更加艱難，過(guò)去和未來(lái)也無(wú)從知曉?；艚鸬南敕▽е铝?ldquo;黑洞信息悖論”的出現，這個(gè)悖論長(cháng)期困擾著(zhù)科學(xué)家。有人說(shuō)霍金根本是錯的，而霍金本人甚至也在 2004 年都柏林的學(xué)術(shù)會(huì )議上宣稱(chēng)他犯了錯，并推翻了自己原來(lái)的想法。

　　所以，我們是否又回到了之前討論的概念，即黑洞吸收的信息都會(huì )通過(guò)白洞拋出?或許事實(shí)正是如此。在 2013 年發(fā)表于《物理學(xué)評論快報》的一篇論文中，美國路易斯安那州立大學(xué)的若熱·普林(Jorge Pullin)和烏拉圭共和國大學(xué)的魯道夫·甘賓(Rodolfo Gambin)基于圈量子引力理論(loop quantum gravity)對黑洞進(jìn)行了研究，他們發(fā)現越接近中心引力越大，但穿過(guò)中心后引力變弱，任何落入黑洞的事物都會(huì )在宇宙的另一端被拋出。這項研究支持了黑洞只是個(gè)入口的假說(shuō)。在這項研究中，奇點(diǎn)不存在，所以落入黑洞的事物不會(huì )因為撞上奇點(diǎn)而毀滅。這也意味著(zhù)，信息不會(huì )消失。

　　也許黑洞不通往任何地方

　　但是物理學(xué)家艾哈邁德·阿爾姆海里(Ahmed Almheiri)、唐納德·馬洛夫(Donald Marolf)、約瑟夫·波欽斯基(Joseph Polchinski)和詹姆斯·蘇利(James Sully)仍然相信，基于霍金的理論可以有進(jìn)一步的發(fā)現。這 4 位科學(xué)家提出了 AMPS 火墻(或稱(chēng)黑洞火墻)理論。根據他們的計算，量子力學(xué)可以將事件視界變成一堵巨大的火墻，任何接觸到它的東西都會(huì )立刻燃燒殆盡。從這個(gè)意義上講，黑洞不通往任何地方，因為甚至沒(méi)有東西可以進(jìn)入黑洞。

　　然而，這一理論與愛(ài)因斯坦的廣義相對論相悖。根據相對論中的等價(jià)原理(equivalence principle)，穿過(guò)事件視界的物體(或人)不會(huì )受到極端引力的影響，可以輕松落入黑洞?；饓碚摽赡茏裱四壳坝钪嬷泻诙匆酝鈪^域的物理學(xué)定律，但即便不違背相對論，它也破壞了量子場(chǎng)論，并暗示信息是可以丟失的。

　　潮汐瓦解事件的藝術(shù)想象圖。當恒星過(guò)于靠近超大質(zhì)量黑洞時(shí)，黑洞的潮汐力會(huì )將其撕裂。

　　黑洞充滿(mǎn)了不確定性

　　讓我們的話(huà)題再次轉向霍金。在 2014 年發(fā)表的研究中，霍金回避了“事件視界”這一說(shuō)法，而是提出引力坍縮會(huì )產(chǎn)生“表觀(guān)視界”(apparent horizon)，這意味著(zhù)沒(méi)有任何東西會(huì )因視界而燃燒。

　　表觀(guān)視界會(huì )阻止光線(xiàn)離開(kāi)黑洞中心，并持續“一段時(shí)間”。在霍金的新理論中，表觀(guān)視界只是暫時(shí)困住物質(zhì)和能量，但最終，表觀(guān)視界會(huì )消失，并釋放物質(zhì)、能量。這一解釋支持了認為信息不會(huì )消失的量子理論，如果能得到證明，這就意味著(zhù)任何事物都可以從黑洞中逃脫。

　　霍金甚至更進(jìn)一步，認為黑洞或許并不存在。他寫(xiě)道：“黑洞的中心不存在奇點(diǎn)，黑洞應該被重新定義為引力場(chǎng)的亞穩定束縛態(tài)。”由于引力作用，表觀(guān)視界內的物質(zhì)會(huì )逐漸向內移動(dòng)，但永遠不會(huì )坍縮到中心。

　　然而，任何被釋放出來(lái)的信息都不再是它們被吞噬前的樣子。我們無(wú)法通過(guò)被釋放的信息還原它們進(jìn)入時(shí)的狀態(tài)，這也會(huì )引起問(wèn)題——尤其是當人們發(fā)現自己正置身于這樣一個(gè)令人驚慌的處境之中。他們再也沒(méi)法跟以前一樣了!

　　可以肯定的是，這個(gè)奇妙的謎團還會(huì )困擾科學(xué)家很久。羅維利和弗朗西絲卡·維多托(Francesca Vidotto)最近提出，暗物質(zhì)的成份之一可能是黑洞蒸發(fā)后的殘留物。2018 年，霍金的一篇關(guān)于黑洞和“軟毛”(soft hair)的論文被發(fā)布。“軟毛”是黑洞事件視界上的光子，它們會(huì )儲存落入黑洞的物質(zhì)的信息。但由于事件視界的存在，這些信息從外部看來(lái)好像全部消失了。

　　這與物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒(John Archibald Wheeler)提出的無(wú)毛定理(no-hair theorem)截然不同。無(wú)毛定理的基礎是觀(guān)察者無(wú)法區分兩個(gè)不同的黑洞，因為黑洞的性質(zhì)僅由質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷這 3 個(gè)物理量確定，而其他信息(毛發(fā))全部消失了。這個(gè)理論已經(jīng)引起了科學(xué)家的討論，但是距離解答“黑洞通往何處”的問(wèn)題，還有很長(cháng)的路要走。
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