内容摘要:霍金表示:“在经典理论中,没有任何东西可从黑洞中逃逸,”但是量子理论中“却使得能量和信息能够从黑洞逃逸”。
关键词:黑洞;霍金;网站;逃逸;爱因斯坦;布钦斯基;应用数学;防火墙;宇航员;理论物理系
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中国社会科学网讯(记者 张春海)1月22日,剑桥大学应用数学和理论物理系教授霍金在arXiv网站的预发表部分,张贴了一篇连摘要和注释共计4页的论文。他颇为离奇地将这篇短短的论文题目定为“信息保存与对黑洞的天气预报”(Information preservation and weather forecasting for black holes)。
这篇论文,以他在2013年8月在加州大学圣巴拉巴分校卡弗里理论物理研究所举行的会议上通过Skype发表的一个讲话为基础。霍金表示:“在经典理论中,没有任何东西可从黑洞中逃逸,”但是量子理论中“却使得能量和信息能够从黑洞逃逸”。他承认,对这一过程的完满解释需要将引力与自然中其他基本力统一起来。但这一目标已经困扰物理学家近一个世纪之久。霍金称,“正确的解决路径,仍是个迷。”
霍金的新观点及其反响在《自然》杂志网站上被专文报道。他的新工作是尝试解决被称为黑洞的“防火墙悖论”(firewall paradox)的难题。这一悖论,由卡弗里理论物理研究所的约瑟夫·布钦斯基(Joseph Polchinski)及其同事发现,随后困扰了物理学家两年时间。
在一个思想实验中,研究者提出了一个问题:如果宇航员不幸落入黑洞之后会遭遇什么。一般被认为是黑洞边界的事件视界,是按照爱因斯坦的广义相对论的数学推论,其首先由德国天文学家卡尔·施瓦兹希尔德(Karl Schwarzschild)1915年写给爱因斯坦的一封信中提出,此时广义相对论提出不过一个月。长期以来,物理学家都假定,这位宇航员或许高兴地穿过了事件视界,对即将到来的厄运毫无知觉,然后逐渐被吸入黑洞、拉成意大利面条似的长条,最终在“奇点”——黑洞假设的致密中心处被压碎。
但是通过细节分析,布钦斯基团队的发现出人意料:在小尺度范围内粒子所遵循的量子力学定律,会完全改变这一图像。他们称,按照量子论决定,事件视界会转变为一个高能量的区域,或称“防火墙”,将会把宇航员烧成油炸马铃薯片似的物质。
这一观点之所以惊人,是因为“防火墙”虽然遵循量子论的法则,但是违背爱因斯坦的广义相对论。
如今,霍金提出了第三种选项。量子力学与广义相对论都各自完整无损,但是黑洞并没有“着火”的事件视界。他学说的关键点是,黑洞周围的量子效应导致空间-时间波动如此剧烈,以至黑洞表层无法存在一个清晰的边界。
霍金宣称存在一种“表观视界”(apparent horizon)——从黑洞中心处逃逸出的光线将会悬停在此的表面,以替代原来的事件视界。按照广义相对论,这两个视界将是同一个,因为从黑洞中逃逸出来的光线将最远到达事件视界并停留在那里。但是,按照理论这两种视界又是截然不同的;如果黑洞吞没更多物质,其事件视界将膨胀并且范围超过表观视界。
与此相反,在20世纪70年代,霍金表明黑洞能够缓慢收缩,放出“霍金辐射”。按照其理论,事件视界将会缩小到小于表观视界。霍金的新观点是,表观视界是真正的黑洞边界。霍金写道,“事件视界的不在场意味着没有黑洞——在光线不能从无限的范围内逃逸的意义上。”
记者发现,霍金的这一观点被解读为“不存在黑洞”,实际上有过度诠释的嫌疑。霍金自上世纪70年代从事黑洞的研究并取得全球影响的成就。他的科普名著《时间简史》的副标题即为“从大爆炸到黑洞”。霍金的新观点,应是最主要对于“事件视界”这一假设的挑战,按照他的观点,可能并不存在“黑”的黑洞,而非黑洞不存在。
不过,霍金的新观点在一些物理学家那里受到了不同程度的回应。一些学者表示,霍金的观点可能较为激进,甚至会导致一场理论的颠覆。
布钦斯基即对没有事件视界的黑洞能在自然界存在表示怀疑。他说,“对于爱因斯坦理论意义上的引力而言,黑洞的视界并没有与空间中的其他部分有如此大的区别。我们也未在临近处那里观察到空间-时间波动,这在大尺度上是非常罕有的。”







