对于科学家来说,黑洞一直是一个未解之谜;对于普通大众来说,黑洞更是带有许多神秘的色彩。有人会有担心和疑问,如果人掉入黑洞,究竟是会被立即撕成碎片,还是会安然无恙毫发无损?没人知道答案。不过,有科学家认为,也许掉入黑洞并不一定意味着死亡,你的命运或许会变得比你想像中的更加神奇、怪异,因为在一个场景里你已化为灰烬,而在另一个场景里,你还好好地活着。这个神奇的理论,听起来是不是有点不可思议?那就来听听科学家的解释吧。 爱因斯坦曾经告诉我们,重力会导致时空扭曲。当一颗超大质量恒星燃料燃烧殆尽的时候,就有可能产生某种足以导致世界扭曲的极端密度。当它的质量衰减到一定程度时,就会向内塌陷,空间也就随之扭曲。引力场变得异常强大,以致于没有任何光线可以逃离,就会使得原恒星所在区域变得异常黑暗,也就是所谓的黑洞。黑洞的边界可以抵消光线企图逃离的力量。越接近黑洞边界,越是无处可逃。黑洞边界充满了能量,边界的量子效应产生了炽热粒子流,并向周围的宇宙空间辐射开来,这就是所谓的“霍金辐射”,这是以著名物理学家史蒂芬-霍金名字命名的。在足够长的时间内,黑洞将辐射消耗完自身的全部质量,并随之消失。 如果你能够深入到黑洞之中,空间将变得越来越弯曲,直到黑洞的中心,空间就已变成了完全的扭曲。这是一种奇怪的现象,因为时空已经不代表任何意义,我们所知道的物理学定律将不再适用。黑洞中究竟发生了什么?没有人会知道。黑洞的内部,一直是一个谜。 假如你意外掉入了宇宙中的某个黑洞,将会发生什么呢?首先,让我们假设你有一个名字叫安妮的同伴。当你在掉入黑洞时,她正处于安全的范围以外,而且亲眼目睹了这恐怖的一幕。从她的角度来看,所有事情都将变得极为神奇、怪异。
在为你准备葬礼之前,让我们先忘记安妮,再从你自己的视角来回顾整个过程。在你自己看来,是不是也有更加神奇的事情发生呢?答案是没有。当你向这个宇宙中最为不祥的目的地不断加速前进时,你没有任何碰撞或不安的感觉,当然没有拉伸、变慢的变化或可怕的辐射。那是因为你正处自由落体运动过程中,你没有感受到任何重力,这也是爱因斯坦所认为的自己“最愉快的想法”。
事实上,在一个足够大的黑洞中,你甚至可以正常地度过余生,直到抵达黑洞的奇点时死亡。你也许会想,这样的生命究竟正常到什么程度?毕竟你会被吸入时空裂缝,会违背你的意志,更无法回头另择出路。但是,你要考虑到,你的感受并不是来自空间体验,而是来自时间。时间只能向前,永远无法回头。这并非仅仅是一个类比。黑洞扭曲了时空到一个如此极端的程度,以致黑洞内部的时空完全互换了角色。从某种意义上讲,是时间将你拉到了黑洞的奇点。你无法转向,也无法逃离黑洞,就好比我们无法回到过去一样。 听完上述解释,你现在或许又忍不住提出另一个困惑。既然自己活得好好的,那安妮究竟又错在哪里?如果你在黑洞中周围确实没有任何怪异的事物,空空的世界,那为什么她会坚称看到你在边界处被烧成灰烬呢?这是她的幻觉呢? 事实上,安妮是极为理智的。从她的角度来看,你确实被已在边界处被烧成了灰烬。这不是幻觉。如果可能的话,她甚至会收集到你的骨灰并送给你最亲爱的人。实际上,自然界的定律要求你必须站在黑洞之处看待这个问题,就比如从安妮的角度来看,因为量子物理学要求信息永远不能丢失。任何一点点能够描述你存在的信息必须要留在边界之外,否则安妮的物理学定律将会失效。 从另一方面讲,物理学定律也要求你穿越边界时,没有遇到炽热粒子流或任何非正常事物。否则,你将违背了爱因斯坦的“最愉快的想法”和他的广义相对论。因此,物理学定律要求你必须同时具备两种状态,即黑洞外的一堆灰烬和黑洞内的活生生的人。最后,还有第三条物理学定律要求信息不能被克隆。也就是说,你必须同时处于两个地方,但事实上只有一个你自己。 这样听起来好像很矛盾,物理学定律让我们得到一个似乎非常荒谬的结论。物理学家将这种矛盾的结论称为“黑洞信息悖论”。幸运的是,科学家们于1990年找到了解决这一悖论的方法。美国物理学家李奥纳特-苏士侃认为,这一悖论并不存在,因为没有任何人看到过自己的克隆版本。安妮只看到了那个化为灰烬的你,你也只看到了存活的自己,你和安妮永远无法将这两个“你”进行对比,也没有第三者同时看到黑洞内外的你。因此,没有任何物理学定律会被打破。除非你要求必须弄清楚哪个故事是真实的,你究竟是活着还是死的。
2012年夏天,由物理学家艾哈迈德-艾尔姆赫里、唐纳德-马罗尔夫、乔-波尔金斯基和詹姆斯-苏利等人组成的研究团队AMPS提出一个思想实验设计方案,该方案可能彻底颠覆此前我们对黑洞的所有认识。 AMPS团队认为,苏士侃的方案取决于一个事实,那就是你和安妮之间的任何分歧都可以通过黑洞边界来解决。如果安妮看到了被霍金辐射烧成灰烬的不幸版本的你,那问题不大,因为有黑洞边界,所以她看不到另一侧漂浮于黑洞内的另一个版本的你。但是,如果她有机会看到另一侧的你,那怎么解释?正常的相对论并不认为这是一个问题,但量子物理学则让这个问题变得复杂化。万一安妮可以看到边界另一侧的场景,比如利用爱因斯坦所称的“幽灵超距作用”这一方法,那该怎么办? 当两组被隔离在不同空间中的粒子不可思议地纠缠在一起时,就会发生这种情况。它们是一个单一且不可分割的整体的一部分,因此那种用于描述这种现象的信息不可能在个体身上找到,只能通过它们之间的联系找到。
物理学家用了一个多世纪的时间试图化解广义相对论与量子物理学之间的矛盾,他们知道最终两者之一必将妥协。黑洞悖论的解决方案或许能够帮助我们解决宇宙更深层次的理论。线索或许就在安妮的解码机中。要想找到与 A 纠缠的另一组信息是一个超级复杂的难题。因此,美国普林斯顿大学物理学家丹尼尔-哈罗和斯坦福大学物理学家帕特里克-海登想知道解决这一难题究竟需要多长时间。2013年,他们通过计算得出结论,即使安妮使用物理学定律所允许的速度最快计算机,她也需要极其漫长的时间来解码这种纠缠。当她得到答案时,这个黑洞或许早已蒸发,从宇宙中消失了。
这就是关于黑洞的故事。它们并非仅仅是太空旅行者所可能遇到的讨厌障碍,它们还是解决物理学定律难题的理论实验室。如果真实的本质隐藏于某处,那么探寻它的最佳场所就是黑洞。我们最好是站在黑洞之处去探索,至少在弄清楚火墙之前必须要这么做。 |