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[組圖]神理論:人掉入黑洞會怎樣?死了同時又活著           ★★★
神理論:人掉入黑洞會怎樣?死了同時又活著
作者:新浪科技 文章來源:新浪科技 點擊數: 更新時間:2016-1-4 15:34:15
超大質量天體能夠導致空間扭曲。超大質量天體能夠導致空間扭曲。
在黑洞中,空間變得異常扭曲。在黑洞中,空間變得異常扭曲。
黑洞的邊界也許是面燃燒的火墻。黑洞的邊界也許是面燃燒的火墻。

  新浪科技訊 北京時間12月28日消息,據國外媒體報道,對于科學家來說,黑洞一直是一個未解之謎;對于普通大眾來說,黑洞更是帶有許多神秘的色彩。有人會有擔心和疑問,如果人掉入黑洞,究竟是會被立即撕成碎片,還是會安然無恙毫發無損?沒人知道答案。不過,有科學家認為,也許掉入黑洞并不一定意味著死亡,你的命運或許會變得比你想像中的更加神奇、怪異,因為在一個場景里你已化為灰燼,而在另一個場景里,你還好好地活著。這個神奇的理論,聽起來是不是有點不可思議?那就來聽聽科學家的解釋吧。

  愛因斯坦曾經告訴我們,重力會導致時空扭曲。當一顆超大質量恒星燃料燃燒殆盡的時候,就有可能產生某種足以導致世界扭曲的極端密度。當它的質量衰減到一定程度時,就會向內塌陷,空間也就隨之扭曲。引力場變得異常強大,以致于沒有任何光線可以逃離,就會使得原恒星所在區域變得異常黑暗,也就是所謂的黑洞。黑洞的邊界可以抵消光線企圖逃離的力量。越接近黑洞邊界,越是無處可逃。黑洞邊界充滿了能量,邊界的量子效應產生了熾熱粒子流,并向周圍的宇宙空間輻射開來,這就是所謂的“霍金輻射”,這是以著名物理學家史蒂芬-霍金名字命名的。在足夠長的時間內,黑洞將輻射消耗完自身的全部質量,并隨之消失。

  如果你能夠深入到黑洞之中,空間將變得越來越彎曲,直到黑洞的中心,空間就已變成了完全的扭曲。這是一種奇怪的現象,因為時空已經不代表任何意義,我們所知道的物理學定律將不再適用。黑洞中究竟發生了什么?沒有人會知道。黑洞的內部,一直是一個謎。

  假如你意外掉入了宇宙中的某個黑洞,將會發生什么呢?首先,讓我們假設你有一個名字叫安妮的同伴。當你在掉入黑洞時,她正處于安全的范圍以外,而且親眼目睹了這恐怖的一幕。從她的角度來看,所有事情都將變得極為神奇、怪異。

黑洞邊界并不是某種固體障礙。黑洞邊界并不是某種固體障礙。

  當你向黑洞的邊界不斷加速掉落時,安妮會看到你的身體不斷伸長并開始扭曲,就好比她正通過一個巨型放大鏡在觀察你。此外,你距離邊界點越近,你前進的速度看起來變得越來越慢。你也無法向她喊話,因為那里沒有空氣。當然,你可以用你的手機向她發送閃光信號,比如摩爾斯電碼。不過,你向她發送的信號可能會傳輸很慢,很遲才到達她那里,因為光波也被拉伸扭曲,并被降低了頻率,比如這樣,“一切都好,一..切..都..好,一...切...都...好,......”。當你到達邊界點,安妮看到你變得靜止,就像是有人按下了停止鍵。你靜止在那里,沒有任何動作,身體沿著邊界不斷拉伸,并被熾熱的火焰所吞噬。在安妮看來,因為空間的拉伸、時間的停止以及霍金輻射的火焰,你已經慢慢地消失了。甚至在你越過黑洞的邊界之前,你就已經化為灰燼。

  在為你準備葬禮之前,讓我們先忘記安妮,再從你自己的視角來回顧整個過程。在你自己看來,是不是也有更加神奇的事情發生呢?答案是沒有。當你向這個宇宙中最為不祥的目的地不斷加速前進時,你沒有任何碰撞或不安的感覺,當然沒有拉伸、變慢的變化或可怕的輻射。那是因為你正處自由落體運動過程中,你沒有感受到任何重力,這也是愛因斯坦所認為的自己“最愉快的想法”。

霍金輻射自黑洞邊界噴出。霍金輻射自黑洞邊界噴出。

  畢竟,黑洞的邊界并不是漂浮于太空中的一面磚墻,它是透明的、無形的。黑洞之外的觀察者無法看透它,但是對你來說不是問題,因為你并沒有感覺到那個邊界的存在。當然,如果黑洞較小,你就會遇到難題。如果你的腳部的重力遠大于你頭部的重力,那么你就會被拉抻成一段意大利面條那樣的形狀。不過,幸運的是,你遇到的是一個大黑洞,一個比我們的太陽要重數百萬倍的黑洞。因此,那種會將你拉成意大利面條的引力差別已小到足以忽略。

一旦掉入黑洞,你將永遠無法出來。一旦掉入黑洞,你將永遠無法出來。

  事實上,在一個足夠大的黑洞中,你甚至可以正常地度過余生,直到抵達黑洞的奇點時死亡。你也許會想,這樣的生命究竟正常到什么程度?畢竟你會被吸入時空裂縫,會違背你的意志,更無法回頭另擇出路。但是,你要考慮到,你的感受并不是來自空間體驗,而是來自時間。時間只能向前,永遠無法回頭。這并非僅僅是一個類比。黑洞扭曲了時空到一個如此極端的程度,以致黑洞內部的時空完全互換了角色。從某種意義上講,是時間將你拉到了黑洞的奇點。你無法轉向,也無法逃離黑洞,就好比我們無法回到過去一樣。

  聽完上述解釋,你現在或許又忍不住提出另一個困惑。既然自己活得好好的,那安妮究竟又錯在哪里?如果你在黑洞中周圍確實沒有任何怪異的事物,空空的世界,那為什么她會堅稱看到你在邊界處被燒成灰燼呢?這是她的幻覺呢?

  事實上,安妮是極為理智的。從她的角度來看,你確實被已在邊界處被燒成了灰燼。這不是幻覺。如果可能的話,她甚至會收集到你的骨灰并送給你最親愛的人。實際上,自然界的定律要求你必須站在黑洞之處看待這個問題,就比如從安妮的角度來看,因為量子物理學要求信息永遠不能丟失。任何一點點能夠描述你存在的信息必須要留在邊界之外,否則安妮的物理學定律將會失效。

沒有人知道黑洞內究竟有什么。沒有人知道黑洞內究竟有什么。

  從另一方面講,物理學定律也要求你穿越邊界時,沒有遇到熾熱粒子流或任何非正常事物。否則,你將違背了愛因斯坦的“最愉快的想法”和他的廣義相對論。因此,物理學定律要求你必須同時具備兩種狀態,即黑洞外的一堆灰燼和黑洞內的活生生的人。最后,還有第三條物理學定律要求信息不能被克隆。也就是說,你必須同時處于兩個地方,但事實上只有一個你自己。

  這樣聽起來好像很矛盾,物理學定律讓我們得到一個似乎非常荒謬的結論。物理學家將這種矛盾的結論稱為“黑洞信息悖論”。幸運的是,科學家們于1990年找到了解決這一悖論的方法。美國物理學家李奧納特-蘇士侃認為,這一悖論并不存在,因為沒有任何人看到過自己的克隆版本。安妮只看到了那個化為灰燼的你,你也只看到了存活的自己,你和安妮永遠無法將這兩個“你”進行對比,也沒有第三者同時看到黑洞內外的你。因此,沒有任何物理學定律會被打破。除非你要求必須弄清楚哪個故事是真實的,你究竟是活著還是死的。

間隔很遠的粒子之間可能會發生莫名其妙的“糾纏”。間隔很遠的粒子之間可能會發生莫名其妙的“糾纏”。

  黑洞告訴我們一個重要的秘密,那就是沒有所謂的“真實”。“真實”取決于你在問誰,既有安妮認為的“真實”,也有你認為的“真實”。

  2012年夏天,由物理學家艾哈邁德-艾爾姆赫里、唐納德-馬羅爾夫、喬-波爾金斯基和詹姆斯-蘇利等人組成的研究團隊AMPS提出一個思想實驗設計方案,該方案可能徹底顛覆此前我們對黑洞的所有認識。

  AMPS團隊認為,蘇士侃的方案取決于一個事實,那就是你和安妮之間的任何分歧都可以通過黑洞邊界來解決。如果安妮看到了被霍金輻射燒成灰燼的不幸版本的你,那問題不大,因為有黑洞邊界,所以她看不到另一側漂浮于黑洞內的另一個版本的你。但是,如果她有機會看到另一側的你,那怎么解釋?正常的相對論并不認為這是一個問題,但量子物理學則讓這個問題變得復雜化。萬一安妮可以看到邊界另一側的場景,比如利用愛因斯坦所稱的“幽靈超距作用”這一方法,那該怎么辦?

  當兩組被隔離在不同空間中的粒子不可思議地糾纏在一起時,就會發生這種情況。它們是一個單一且不可分割的整體的一部分,因此那種用于描述這種現象的信息不可能在個體身上找到,只能通過它們之間的聯系找到。

黑洞會從附近恒星吸取物質。黑洞會從附近恒星吸取物質。

  AMPS研究團隊的思路就在于此。我們將安妮所掌握的邊界附近的信息稱為“A”。如果她的故事是正確的,而你已經在黑洞外被霍金輻射燒為灰燼。那么,“A”信息肯定會與另一組信息有糾纏和關聯,即“B”信息,也就是熾熱輻射流。從另一方面講,如果你的故事是真實的,你還好好地活在邊界的另一側,那么,“A”信息肯定與另一組不同的信息糾纏和關聯,即“C”信息,也就是黑洞內的某個地方。問題在于,每一組信息只能關聯一次。這就意味著“A”只能與“B”或“C”之一關聯,而不能同時關聯。

  如果安妮掌握了“A”信息,并將其放入便攜式“關聯解碼”機中,該機器將會解碼出答案,要么是“B”信息,要么是“C”信息。如果答案是 C,那么你的故事是真實的,量子物理學定律將被打破。如果 A 與位于黑洞深處的 C 糾纏和關聯,那么安妮將永遠丟失自己的信息。這又打破了量子物理學信息永遠不能丟失的定律。如果答案是 B,即安妮的解碼機發現 A 與 B 糾纏和關聯,那么安妮的故事是真的,廣義相對論將無效。這就意味著你確實是被燒成了灰燼,即你沒有真正地穿越邊界,而是碰到了一面燃燒的火墻。

黑洞會導致經過的光線發生扭曲,產生“透鏡”效果。黑洞會導致經過的光線發生扭曲,產生“透鏡”效果。

  我們再次回到最初提到的問題,即當你掉入黑洞時究竟發生了什么?你真的穿過了邊界,繼續正常地度過余生,還是在接近邊界時碰上了一面致命的火墻?沒有人知道答案。這也成為了基礎物理學領域最有爭議的難題之一。

  物理學家用了一個多世紀的時間試圖化解廣義相對論與量子物理學之間的矛盾,他們知道最終兩者之一必將妥協。黑洞悖論的解決方案或許能夠幫助我們解決宇宙更深層次的理論。線索或許就在安妮的解碼機中。要想找到與 A 糾纏的另一組信息是一個超級復雜的難題。因此,美國普林斯頓大學物理學家丹尼爾-哈羅和斯坦福大學物理學家帕特里克-海登想知道解決這一難題究竟需要多長時間。2013年,他們通過計算得出結論,即使安妮使用物理學定律所允許的速度最快計算機,她也需要極其漫長的時間來解碼這種糾纏。當她得到答案時,這個黑洞或許早已蒸發,從宇宙中消失了。

半人馬座A有一個黑洞。半人馬座A有一個黑洞。

  如果是這種情況,問題的復雜性可能會讓安妮望而卻步,放棄努力去探尋究竟哪個故事是真實的。這就可能導致一種情形出現,即兩個都是正確的,其真實性依賴于不同的觀察者,所有的物理學定律都是有效的,沒有人會碰到危險的、莫名其妙的火墻。這也會給物理學家帶來新的思考,即復雜的計算與時空之間的關聯。

  這就是關于黑洞的故事。它們并非僅僅是太空旅行者所可能遇到的討厭障礙,它們還是解決物理學定律難題的理論實驗室。如果真實的本質隱藏于某處,那么探尋它的最佳場所就是黑洞。我們最好是站在黑洞之處去探索,至少在弄清楚火墻之前必須要這么做。

信息錄入:caixc    責任編輯:蔡曉純 
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