史蒂芬·霍金：黑洞並不存在

2014-02-11 06:34:30

科學探索 來源：環球科學

　　黑洞的某些原始定義特徵或許要被放棄，假如現代物理學的兩大支柱——廣義相對論和量子理論都正確的話。

　　「事件視界」，一個無可逃脫的牢籠，這個概念與量子理論並不兼容，物理學家如是說。

　　大多數在文章中魯莽地宣稱「黑洞並不存在」的物理學家，很可能會直接被當做瘋子而忽視掉。但假如那個要求重新定義黑洞的呼籲來自史蒂芬·霍金(Steven Hawking)，這倒要引起格外注意了。在一篇擱到網上的文章里，這位來自英國劍橋大學的物理學家、現代黑洞理論的創始人，要求終結「事件視界」這個概念——按原來的理論，這是黑洞的邊界，越過它，則包括光在內的任何事物都無法逃脫。

　　作為上述理論的「替代品」，霍金很激進地提出了一個更溫和的「表面視界」——它只是臨時地囚禁物質和能量，最終會釋放它們，儘管是以一種相當凌亂的方式。

　　「在經典理論里，黑洞是絕對不可逃脫的，」霍金告訴《自然》雜誌。然而量子理論「使得能量和信息可以逃脫黑洞」。霍金承認，對該過程的完整描述需要一個能成功統一引力和其他基本相互作用力的理論。但一個世紀以來，物理學家們苦苦追尋這個目標未有結果。霍金說：「正確的處理方案依舊是一個謎。」

　　霍金在1月22日把他的文章發到arXiv預印文本庫上。他很俏皮地定了這樣一個題目：「黑洞的信息儲藏和天氣預報」;文章尚未通過同行評議。這篇文章的內容，基於他在2013年8月通過Skype，向加州聖巴巴拉科維里理論物理研究所所做的報告。

　　撲火

　　霍金的新工作是企圖解決所謂「黑洞火牆悖謬」的一個嘗試。自從科維理研究所(Kavli Institute)的Joseph Polchinski及其同事提出「黑洞火牆悖謬」以來，這個悖謬已經困擾了物理學家將近兩年。

　　在一個思想實驗中，研究者想要知道，一個不幸掉進黑洞的宇航員將會經歷什麼。事件視界是愛因斯坦引力理論的一個簡單數學結果，在1915年底，由德國天體學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)在寫給愛因斯坦的一封信中提出，那時離黑洞理論的提出還不到一個月。在那個圖景下，物理學家長久以來都認為，宇航員會很快樂地穿越事件視界，對他即將面臨的厄運毫無意識，直到漸漸被拉扯向內——像義大利面那樣被拉長——最終一頭扎進「奇點」，那被假定為密度無窮大的黑洞內核。

　　但Polchinski的團隊在仔細分析這個情景之後驚訝地意識到：掌管微尺度的量子力學定律徹徹底底地改變了宇航員的處境。量子理論會要求事件視界成為一個高能量區域，形象的說法是一個「火牆」——足以把宇航員燒成薯片。

　　這很令人揪心，因為這道「火牆」雖然遵守了量子規律，卻嘲笑了愛因斯坦廣義相對論。根據愛因斯坦的理論，自由落體中的人所感受到的物理規律應該等同於宇宙各處的物理規律，無論他們是墜入黑洞當中還是漂浮在星系間浩渺的太空中。在愛因斯坦看來，事件視界並沒有任何特殊的地方。

　　超越視界

　　如今，霍金提出了第三個可能性，這個可能性因為簡單而格外撩人：量子力學和廣義相對論都毫髮無損，只是黑洞不再有能夠引起「火災」的事件視界。他這個宣稱的關鍵在於，黑洞附近的量子效應使得時空漲落極其猛烈，從而不可能存在這麼一個絕對的分界線。

　　霍金提出了「表面視界」，代替事件視界。在「表面視界」 上，任何企圖逃出黑洞的光線都會被延緩。在廣義相對論中，對於一個不變的黑洞，這兩個視界是等同的，因為在黑洞里，試圖逃脫的光線至多只會無窮接近事件視界，被擋在那裡，如同在一個跑步機上徒勞地奔跑。然而，這兩個視界原則上是可以被區分的。當黑洞吞噬了更多的物質，事件視界將會膨脹，變得比表面視界更大。

　　反之，霍金在上世紀70年代展現了黑洞同樣可以緩慢地收縮，同時噴湧出「霍金輻射」。在那種情況下，理論上事件視界會變得小於表面視界。霍金的新提議是把這表面視界作為黑洞真正的邊界。「事件視界的不存在意味著不再有實質上的黑洞——一個光無法逃逸到無窮遠的牢籠，」霍金這樣寫道。

　　「霍金給出的圖像聽起來很合理，」Don Page說，這位來自加拿大阿爾伯塔省的埃德蒙頓大學(University of Alberta in Edmonton)的物理學家兼黑洞專家曾在70年代與霍金共事。「或許你會覺得，否認事件視界的存在這太激進了。但在這些非常量子化的場合，連時空到底是什麼尚且存在疑問，更不必談及是否有一個很確定的邊界被標記為事件視界了。」

　　儘管Page接受霍金的提議——沒有事件視界同樣可以存在黑洞，他卻質疑這是否足以解決火牆悖謬。他警告，哪怕是表面視界的短暫存在，也可能導致像事件視界那樣的問題。

　　與事件視界不同的是，表面視界最終會消失。Page評述說霍金為一種極端的可能情況敞開了大門：原則上，一切事物都可以逃離黑洞。雖然霍金沒有在他的文章中具體表明表面視界究竟會怎樣消失，Page推測當它收縮到一定程度，彼時量子效應與引力結合起來，黑洞將可能消失。那時，曾經陷於黑洞中的一切都將被釋放(儘管不是以一種完好的形態出現)。

　　假如霍金是對的，那麼黑洞內核可能不再有所謂的奇點。這時物質只是臨時被軟禁在表面視界之下，並且受黑洞引力拉伸作用往內運動，但永遠不會恰好坍縮到中心。這些物質攜帶的信息不會被破壞，只是會被攪亂成一團，故而會以一種與被吞噬前大相徑庭的形態通過霍金輻射被釋放，想要辨認出它們的過去是幾乎不可能的事情。

　　「這簡直比從灰燼中復原一本書還要糟糕，」Page說。霍金在他的文章里把這件事比作預測天氣：理論上這是可行的，但實際上根本無法準確實施。

　　Polchinski卻對沒有了事件視界黑洞能否依舊存在表示懷疑。他說，要抹除事件視界的這種狂暴的漲落在宇宙中實在太罕見了。「在愛因斯坦的引力理論中，黑洞視界與其他空間並沒有太大的不同。我們還從來沒有在附近觀察到時空漲落——這在大尺度上實在是太罕見了。」

　　Raphael Bousso，這位來自加州大學伯克利分校的理論物理學家曾是霍金的學生，他表示從最近這個研究貢獻可以清楚看到物理學家們對火牆的可能存在性多麼地憎惡。但是他也對霍金的解決方案持謹慎態度。「假設不存在無法逃脫黑洞的絕對牢籠，這個想法在某種程度上其實比火牆的存在更加激進和存疑。但是，自霍金有關黑洞和信息的第一篇文章以來已經有四十年了，今天我們依舊在討論這些問題，這本身就說明了這些問題的無比重要性。」

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