奇异的黑洞:越靠近时间对我们而言便会流逝得越慢

奇异的黑洞:越靠近时间对我们而言便会流逝得越慢
2019年02月26日 08:57 新浪科技

  新浪科技讯 北京时间2月26日消息,据国外媒体报道,黑洞是宇宙中最奇特的现象之一。在这篇文章中,我们准备先将黑洞作为经典物理理论中的一类物体来讨论,即不考虑其可能拥有的量子效应及结果。就目前来说,其背后的经典理论便是爱因斯坦的引力论。它将空间与时间描述成一系列的场,其行为由爱因斯坦的等式决定。

  自然有人会问,该理论是如何描述一个巨大球体(比如恒星)周围的空间和时间的?#38752;?#23398;家卡尔?史瓦西(Schwarzschild)给出了答?#28014;?#35813;理论在任何静态球体周围都成立,并且最关键的是,仅取决于物体质量。然而,如果该物体的质量全部局限在特定半径之内(名叫史瓦西半径),就会发生非常奇特的现象。接着,在史瓦西半径划出的边界上,所谓的?#24405;?#35270;界就会形成,黑洞便随之诞生。

  在讨论黑洞的奇异性之前,让我们先来谈一谈黑洞形成的条件。史瓦西半径rs和质量M之间的关系非常简单,彼?#39034;?#27491;比:rs = a x M。如果用标准单位进行测量,这里的a数值非常小。例如,对于一个质量与地球差不多的物体来说,其史瓦西半径只有9毫米左右!目前还没有任?#25105;?#30693;的物理过程能够把地球压缩成这么小的体积,而且宇宙中也不大可能存在质量只有地球这?#21019;?#30340;黑洞。而如果我们考虑更大质量的天体,情况就不一样了,因为天体质量越大,史瓦西半径之内的体积增长得就越快,即容纳该天体全部质量的空间增长得就越快。比如说,假如天体质量增加一倍,容纳其全部质量的空间就会变为原来的八倍。因此天体质量越大,就越容易形成黑洞。科学家已经知道,在巨大恒星生命末期,会有一些机制使其转化为黑洞。而当这些由恒星形成的黑洞发生合并时,还会形成质量更大的黑洞。

  再说回黑洞的奇异性。其实,如果我们离黑洞足够远的话,黑洞和其它质量相同的天体并没有太大不同。唯一值得一提的不同之处在于,黑洞不会发出任何光线。有趣的是,如果我们靠近黑洞,时间对我们而言便会流逝得越来越慢。但这种效应无法被直接检测?#20581;?#19981;管我们带上什么时钟,从我们的角度来看,它们的运作?#32426;?#20840;正常。只有当我们从黑洞返回后、与黑洞?#27934;?#30340;时间进行比较,才能看出区别来。事实上,任何巨大天体都会产生这一效应,不只是黑洞独有的特征。爱因斯坦的等式描述了时间的表现方式,在球体之外,时间的流逝仅与天体质量有关。但对其它天体而言,我们可以真正接近、甚至进入该天体。一旦到了天体内部,时间的流逝便会受其内部的特定情况影响。像时间膨胀这样的效应不会无限制增加。但随着我们离黑洞越来越近,该效应的确会无限制增加,直到我们到达前面提到的?#24405;?#35270;界为止。

  穿过?#24405;?#35270;界会产生?#29616;?#21518;果。假如我们认真考虑无限时间膨胀这种可能性,当我们穿越?#24405;?#35270;界的一瞬间,对视界外的一切物体而言,时间都顿时流逝一空,一切物体都就此终结。而我们一旦进入黑洞,便再也无法回头。这点在史瓦西的半径理论中体现得非常明显。在黑洞外的世界中,时间只能向前行进,这是爱因斯坦理论的基本特征。而在?#24405;?#35270;界之内,时间只能沿径向前进,也就是说,我们只能遵循这一方向,不断朝黑洞中央进发。这条路绝对有去无回,就连人类能想象出的最强大的火箭也无法阻止我们朝黑洞中央飞去。到了黑洞中央,引力将强大到无法想象,最终黑洞的量子特征和引力本身都必将露出其真面目。

  不过,黑洞的其它量子特性倒是可以被早早观测?#20581;?#19979;文中将对此讨论一二。

  与量子世界和信息处理的联系

  上文提到,史瓦西对爱因斯坦等式给出的答案仅取决于天体质量。但?#22791;?#22825;体坍缩成为黑洞时,与其有关的一?#34892;?#24687;会如?#25991;兀?#22825;体由多种粒子构成,有特定的?#38706;取?#29289;质分布、辐射谱线等等,这些都是天体拥有的信息。如果只考虑经典世界,那么在黑洞形成之后,这些信息都将被隐藏在?#24405;?#35270;界之后。这样一来,黑洞外的人就彻底无法追踪这些信息了。在经典世界中,这并不是个大问题。顶多是无法获取这些信息有些遗憾而已,但并不会影响该理论的一致性。

  但我们知道,这个世界并不是一个经典意义的世界,我们对量子理论的了解也已经初具规模。霍金利用量子理论证明,黑洞?#24405;?#35270;界附近的量子效应可以使粒子?#20013;?#19981;?#31995;?#20174;黑洞中向外流出。黑洞会发出辐射,因?#39034;?#27492;以往,质量必定会有所减少。如果等得足够久,黑洞最终要么会完全蒸发,要么留下些许残余。

  那么在黑洞蒸发之后,其中的信息都去了哪里呢?在对黑洞的描述中加入一些“量子性”之后,这个问题就显得非常重要了。如果对量子信息妄加处理,很容易破?#36947;?#35770;的一致性。比如说,信息必须在黑洞内部迅速传播开来,否则量子态就可能得到复制,而这在任何具有一致性的量子理论中都是被绝?#36234;?#27490;的。说实话,对于黑洞如何处理量子信息的问题,物理界尚?#21019;?#25104;一致。有一种可能性是,这些信息也许隐藏在霍金辐射中。如果我们能等得足够久,收集到足够多的霍金辐射,也许就能从中?#19968;?#25105;们想要的所有信息。不过,这又会牵涉到更多不切?#23548;?#30340;实验。如果能找到一种令人信服、自洽、并且与量子世界有所关联的黑洞描述,将是我们朝用量子理论描述引力迈出的重要一步,也将是理论物理学迈出的最重要的一步之一!

  最后再来谈谈量子效应对黑洞的重要性。假设有一个质量为太阳四倍的、由恒星形成的普通黑洞,其霍金辐射换算成的温度大概只比绝对零度高几亿开尔文。因此量子效应对该黑洞的日常物理表现几乎没有任何影响。任何由恒星形成的(甚至质量更大的)黑洞都是如此。接下来,再想象有一枚重约5克的硬币。这枚硬币的量子效应对它的物理表现也没有重大影响,其物理表现几乎完全可以用经典理论来解释。不过,假设有一个质量和这枚硬币差不多的黑洞,情况就大不一样了。作为一个(部分程度上)的量子物体,它在须臾之间就会辐射、蒸发殆尽。而在其质量转化为能量的过程中,会创造一场强度达广岛原子弹3倍的巨大爆炸。在这种情况下,黑洞的量子效应便会发挥巨大作用,并且比在一般情况下早得多。(叶子)

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