史蒂芬·霍金:黑洞并不存在
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黑洞的某些原始定义特征或许要被放弃,假如现代物理学的两大支柱——广义相对论和量子理论都正确的话。

“事件视界”,一个无可逃脱的牢笼,这个概念与量子理论并不兼容,物理学家如是说。
大多数在文章中鲁莽地宣称“黑洞并不存在”的物理学家,很可能会直接被当做疯子而忽视掉。但假如那个要求重新定义黑洞的呼吁来自史蒂芬·霍金(Steven Hawking),这倒要引起格外注意了。在一篇搁到网上的文章里,这位来自英国剑桥大学的物理学家、现代黑洞理论的创始人,要求终结“事件视界”这个概念——按原来的理论,这是黑洞的边界,越过它,则包括光在内的任何事物都无法逃脱。
作为上述理论的“替代品”,霍金很激进地提出了一个更温和的“表面视界”——它只是临时地囚禁物质和能量,最终会释放它们,尽管是以一种相当凌乱的方式。
“在经典理论里,黑洞是绝对不可逃脱的,”霍金告诉《自然》杂志。然而量子理论“使得能量和信息可以逃脱黑洞”。霍金承认,对该过程的完整描述需要一个能成功统一引力和其他基本相互作用力的理论。但一个世纪以来,物理学家们苦苦追寻这个目标未有结果。霍金说:“正确的处理方案依旧是一个谜。”
霍金在1月22日把他的文章发到arXiv预印文本库上。他很俏皮地定了这样一个题目:“黑洞的信息储藏和天气预报”;文章尚未通过同行评议。这篇文章的内容,基于他在2013年8月通过Skype,向加州圣巴巴拉科维里理论物理研究所所做的报告。
扑火
霍金的新工作是企图解决所谓“黑洞火墙悖谬”的一个尝试。自从科维理研究所(Kavli Institute)的Joseph Polchinski及其同事提出“黑洞火墙悖谬”以来,这个悖谬已经困扰了物理学家将近两年。
在一个思想实验中,研究者想要知道,一个不幸掉进黑洞的宇航员将会经历什么。事件视界是爱因斯坦引力理论的一个简单数学结果,在1915年底,由德国天体学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)在写给爱因斯坦的一封信中提出,那时离黑洞理论的提出还不到一个月。在那个图景下,物理学家长久以来都认为,宇航员会很快乐地穿越事件视界,对他即将面临的厄运毫无意识,直到渐渐被拉扯向内——像意大利面那样被拉长——最终一头扎进“奇点”,那被假定为密度无穷大的黑洞内核。
但Polchinski的团队在仔细分析这个情景之后惊讶地意识到:掌管微尺度的量子力学定律彻彻底底地改变了宇航员的处境。量子理论会要求事件视界成为一个高能量区域,形象的说法是一个“火墙”——足以把宇航员烧成薯片。
这很令人揪心,因为这道“火墙”虽然遵守了量子规律,却嘲笑了爱因斯坦广义相对论。根据爱因斯坦的理论,自由落体中的人所感受到的物理规律应该等同于宇宙各处的物理规律,无论他们是坠入黑洞当中还是漂浮在星系间浩渺的太空中。在爱因斯坦看来,事件视界并没有任何特殊的地方。
超越视界
如今,霍金提出了第三个可能性,这个可能性因为简单而格外撩人:量子力学和广义相对论都毫发无损,只是黑洞不再有能够引起“火灾”的事件视界。他这个宣称的关键在于,黑洞附近的量子效应使得时空涨落极其猛烈,从而不可能存在这么一个绝对的分界线。
霍金提出了“表面视界”,代替事件视界。在“表面视界” 上,任何企图逃出黑洞的光线都会被延缓。在广义相对论中,对于一个不变的黑洞,这两个视界是等同的,因为在黑洞里,试图逃脱的光线至多只会无穷接近事件视界,被挡在那里,如同在一个跑步机上徒劳地奔跑。然而,这两个视界原则上是可以被区分的。当黑洞吞噬了更多的物质,事件视界将会膨胀,变得比表面视界更大。
反之,霍金在上世纪70年代展现了黑洞同样可以缓慢地收缩,同时喷涌出“霍金辐射”。在那种情况下,理论上事件视界会变得小于表面视界。霍金的新提议是把这表面视界作为黑洞真正的边界。“事件视界的不存在意味着不再有实质上的黑洞——一个光无法逃逸到无穷远的牢笼,”霍金这样写道。
“霍金给出的图像听起来很合理,”Don Page说,这位来自加拿大阿尔伯塔省的埃德蒙顿大学(University of Alberta in Edmonton)的物理学家兼黑洞专家曾在70年代与霍金共事。“或许你会觉得,否认事件视界的存在这太激进了。但在这些非常量子化的场合,连时空到底是什么尚且存在疑问,更不必谈及是否有一个很确定的边界被标记为事件视界了。”
尽管Page接受霍金的提议——没有事件视界同样可以存在黑洞,他却质疑这是否足以解决火墙悖谬。他警告,哪怕是表面视界的短暂存在,也可能导致像事件视界那样的问题。
与事件视界不同的是,表面视界最终会消失。Page评述说霍金为一种极端的可能情况敞开了大门:原则上,一切事物都可以逃离黑洞。虽然霍金没有在他的文章中具体表明表面视界究竟会怎样消失,Page推测当它收缩到一定程度,彼时量子效应与引力结合起来,黑洞将可能消失。那时,曾经陷于黑洞中的一切都将被释放(尽管不是以一种完好的形态出现)。
假如霍金是对的,那么黑洞内核可能不再有所谓的奇点。这时物质只是临时被软禁在表面视界之下,并且受黑洞引力拉伸作用往内运动,但永远不会恰好坍缩到中心。这些物质携带的信息不会被破坏,只是会被搅乱成一团,故而会以一种与被吞噬前大相径庭的形态通过霍金辐射被释放,想要辨认出它们的过去是几乎不可能的事情。
“这简直比从灰烬中复原一本书还要糟糕,”Page说。霍金在他的文章里把这件事比作预测天气:理论上这是可行的,但实际上根本无法准确实施。
Polchinski却对没有了事件视界黑洞能否依旧存在表示怀疑。他说,要抹除事件视界的这种狂暴的涨落在宇宙中实在太罕见了。“在爱因斯坦的引力理论中,黑洞视界与其他空间并没有太大的不同。我们还从来没有在附近观察到时空涨落——这在大尺度上实在是太罕见了。”
Raphael Bousso,这位来自加州大学伯克利分校的理论物理学家曾是霍金的学生,他表示从最近这个研究贡献可以清楚看到物理学家们对火墙的可能存在性多么地憎恶。但是他也对霍金的解决方案持谨慎态度。“假设不存在无法逃脱黑洞的绝对牢笼,这个想法在某种程度上其实比火墙的存在更加激进和存疑。但是,自霍金有关黑洞和信息的第一篇文章以来已经有四十年了,今天我们依旧在讨论这些问题,这本身就说明了这些问题的无比重要性。”

文章名称:《史蒂芬·霍金:黑洞并不存在》
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