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霍金:黑洞也许不那么“黑”?!

万物皆有生命。当大质量天体演化末期,其坍缩核心的质量超过太阳质量的3.2倍时,由于没有能够对抗引力的斥力,核心坍塌将无限进行下去,从而形成“黑洞”。

来自2014/02/03/ 小宇宙百科14034

朱逢源/编 邢小叶/配图

万物皆有生命。当大质量天体演化末期,其坍缩核心的质量超过太阳质量的3.2倍时,由于没有能够对抗引力的斥力,核心坍塌将无限进行下去,从而形成“黑洞”。得益于其巨大的质量密度,黑洞将引发足够大的时空扭曲,以至于黑洞是如此之“黑”,“黑”到任何物体都没有办法逃离它的引力范围,哪怕是光本身也不例外。物理学家把这一层“连光也不能逃脱”的边界定义为事件视界(event horizon)。在传统定义下,这个边界以外的观测者无法通过任何的物理手段获取视界之内任何事件的信息,同时也没有办法受到事件视界以内事件的影响。简单地说,这一层事件视界就如同通向地狱的单向门票一般,物质一旦坠入其中,将永远无法被外界观测,再也无法影响到外界,永世不得超生。但是经典的广义相对论定义下的黑洞带来了一个问题,如果物质跌入黑洞的事件视界中之后,虽然原物体的质量和电荷依旧得以守恒,但是它们的熵却永久的消失了。这意味着作为孤立系统的宇宙可以自发地进行熵减,违背了热力学第二定律。

20世纪七十年代,基于量子力学效应,霍金提出了著名的霍金辐射假说。简单的来说,根据海森堡不确定性原理,在真空中无时无刻会凭空且自然地产生许多粒子-反粒子对,并且在极短的时间内成对湮灭。宏观上来看,这等于什么都没有发生过。但是如果某对粒子恰好在黑洞附近形成,而其中的某一个虚粒子掉进了黑洞的事件视界中,那么剩下的那个粒子就变成了实粒子。而形成该粒子的质量将来源于黑洞,等效于黑洞对外进行了辐射。由此,贝肯斯坦提出了广义化的第二定律,即宇宙间物质与黑洞的熵的总和永不减小。霍金辐射虽然很好地解释了黑洞不会引起熵减的原因,但是这个假说又引起了一个新问题:量子力学钟的幺正性(unitarity)遭到了破坏。幺正性(unitarity)是一种数学表述,由于物质具有波粒二象性,因此我们必须保证在某一时刻t在全空间找到粒子的总几率等于1。但是如果事件视界存在的话,跌入黑洞的粒子的信息将会完全被抹去,信息的不守恒导致了幺正性遭到了破坏。用一个不恰当的例子来比喻,就好比扔硬币的时候,正面向上的概率变成了10%,而反面向上的概率也变成了10%。

长期以来物理学家针对这个问题都有一定的争论,但尚无一个漂亮的解释。近期,霍金先生在arxiv.org上发表了一篇讨论文章,提出了一个新的假说:既然所有的争论都源自于事件视界,那么索性我们就抛弃这个概念,认定事件界限不存在就可以了(Gravitational collapse produces apparent horizons but no event horizons behind which information is lost.)在这个新定义的视界以内,黑洞所吸入的物质并非完全不能逃出,而是会在黑洞里被困住一段时间——比方说100000000亿年——而不是永远。同时,被吸入的物质不会丢失其携带的信息。虽然这些信息会被搅成一团混沌,如同天气系统一般,但是不会失去其幺正性。霍金目前发表的这篇文章只是提出了一个假设,并没有严格的数学证明。新假设下的黑洞并不如人们之前所设想的“那么黑”。在霍金的原文中,并没有提出所谓“黑洞不存在”,“灰洞”等概念,仅仅是提出了一个可能的设想。上帝创造了宇宙,却没有办法去控制接下来所发生的一切。宇宙真正的面貌到底是什么样子的,还需要更多的研究去解释。 朱逢源/编·坐看牛郎织女星

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