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掉进黑洞会怎样?

时间:2013-05-12来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华 点击: 999999次
如果一个宇航员掉进了黑洞
    2012年3月,美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校卡弗里理论物理研究所的弦理论学家约瑟夫·普金斯基开始思考“自杀”的问题——以数学形式进行的思想实验:如果一个宇航员掉进黑洞会发生什么情况?很显然他会死,但究竟怎么个死法呢?
    按照当时公认的理论,最初他不会感到有任何特别,即使在他落到黑洞的事件视界时。事件视界是一个看不见的界限,在界限以内没有任何东西能逃离黑洞的吸引。但最终,几小时、几天或几个星期后,如果黑洞足够大,他会开始觉察到拉着他脚的重力比拉着他头的重力更强大,这种吸引力拖着他无情地向下落,重力差会迅速加大而将他撕裂,最终他的遗体会被扯得粉碎而落入黑洞那无限致密核心。

    普金斯基和他的两个学生艾哈迈德·艾姆哈里、詹姆斯·萨利,加上该校的另一位弦理论学家唐纳德·马洛夫一起,对这一事件进行了重新计算。根据他们的计算,却呈现出完全不同的另一番场景:量子效应会把事件视界变成沸腾的粒子大漩涡,任何东西掉进去都会撞到一面火焰墙上而被瞬间烤焦。

    研究小组在去年7月发表了他们的计算结果,震动了整个物理学界:因为这面火墙违反了基本的物理学法则——等效性原理。等效原理即引力质量和惯性质量等效,在任何一个时空点上都可以选取适当的参考系,使物质的运动方程中不再含有引力项,即引力可以局部地消除。按照这一原理,宇航员掉进万有引力场——即便是像黑洞那么强大的引力场时,他所看到的实际景象和飘在太空的观察者所看到的是一样的。等效原理最早在一个世纪前由阿尔伯特·爱因斯坦清晰地提出,并作为他《广义相对论》的基础。如果等效原理不成立,爱因斯坦的理论框架也将瓦解。

    普金斯基等四人也深知这一推论可能导致的后果,所以还提出了另一种备选结局:没有形成火墙。但这种解释的代价同样巨大,他们不得不牺牲量子力学,这是描述亚原子粒子之间相互作用的理论法则,也是物理学的另一根支柱。
    这一结果激起了一股研究火墙热潮,物理学家们纷纷抛出各种方案试图打破僵局,但还没有一篇论文能解释得让所有人都满意。面对这种状况,圣芭芭拉分校的量子物理学家斯蒂芬·吉丁斯说这是“一场物理学基础的危机,需要一次革命才能解决问题。”

    上个月,物理学界研究黑洞的专家们齐聚在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理研究所(CERN)召开会议,面对面地讨论了这一问题,希望能打开一条通向“量子引力”统一理论的新途径,将自然界所有的基本力囊括其中——或许这将成为物理学家们几十年来未曾有过的荣耀。

    火墙的想法“动摇了大部分人所相信的黑洞理论的基础”,加利福尼亚大学伯克利分校弦理论学家拉斐尔·布索在会议上说,“从根本上说,它把量子力学放在了广义相对论的敌对面,却没给我们留下任何线索:下一步该朝哪个方向走?”
如果一个宇航员掉进了黑洞
如果一个宇航员掉进了黑洞
信息悖论
信息悖论
    信息悖论——掉进黑洞的物质会被挤压到黑洞那无限致密的核心去,但它所携带的信息会怎样呢?以下有两种情景的解释:信息消失(左):当黑洞蒸发后,它所携带的所有信息会随之消失。根据量子效应,真空中充满了粒子—反粒子对,二者互相关联。通常情况下,粒子—反粒子对出现后瞬间即湮灭,但如果这对粒子和反粒子是出现在黑洞的事件视界,其中一个就会掉进黑洞,而另一个会以霍金辐射的形式向外发出。“遇难”粒子以负能量被吸入,黑洞由此而损失质量,如果没有普通物质落进去,黑洞最终将蒸发殆尽。黑洞中心是一个无限小且无限致密的奇点,却并不包含形成黑洞的物质信息。火墙(右):从黑洞辐射出来的所有粒子之间具有量子相关性,这些相关粒子携带着信息。辐射出的粒子与落入黑洞的粒子之间要打破关联性,会释放出巨大能量而在黑洞周围形成一圈火墙。即使黑洞蒸发完之后,由于两个粒子之间的关联性,“逃逸”粒子也包含了“落难”粒子的所有信息。

    掉进黑洞的宇航员会被扯成碎片还是被烧焦?这一问题从2012年夏天起就成了理论物理学界的争论焦点,围绕相关主题发表的文章超过了40篇,至今没有结论。因为它把物理学的两大支柱——广义相对论的等效原理和量子力学直接摆在了对立面。
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