為什么霍金說“黑洞并不存在”

文/Rebecca+Jacobson+譯/宋麗麗

2014年1月，著名物理學(xué)家斯蒂芬·霍金提出了一個重磅理論，那就是“黑洞并不存在”。這一言論來自霍金最新的論文，包含于一個關(guān)于黑洞的原理和著名的“事件視界”的論點之中。“事件視界”是黑洞最外圍的區(qū)域，進(jìn)入“事件視界”的所有物質(zhì)，包括光，都無法逃出。

加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校凱維里理論物理研究所的科學(xué)家約瑟夫·波欽斯基（Joseph Polchinski）解釋說，更準(zhǔn)確地講，霍金并不是說黑洞不存在，而是要解釋一個長期困擾理論物理學(xué)界的難題。天文學(xué)家已經(jīng)觀察黑洞幾十年了。如果黑洞違反了兩大物理學(xué)的基本定律——愛因斯坦的廣義相對論和量子力學(xué)，又如何讓我們相信黑洞是存在的？

首先，我們來做個物理學(xué)基本知識的回顧。愛因斯坦的廣義相對論首先構(gòu)想出黑洞作為天體的存在。黑洞有著非常強(qiáng)大的引力場，以至于任何物體，包括氣體、星塵、恒星、行星、整個星系，甚至光線，在到達(dá)“事件視界”后，都會落到黑洞里并被永遠(yuǎn)困在里邊，最終被壓碎，無法從中逃逸。

但是隨著20世紀(jì)中期量子力學(xué)的出現(xiàn)，一些人相信黑洞會保留被吞噬物體的痕跡，也就是說，被困在黑洞里的一些由物質(zhì)和粒子組成的信息可以在某些角落得以保存。波欽斯基解釋道，根據(jù)量子力學(xué)，黑洞可以把一本書壓成碎片，但只要這些碎片還存在，就有可能重新恢復(fù)這本書。

但20世紀(jì)70年代，霍金發(fā)表了一篇關(guān)于黑洞的論文，顛覆了這一切?；艚鹫J(rèn)為，黑洞實際上在失去質(zhì)量，輻射出能量并最終蒸發(fā)。如果黑洞會蒸發(fā)，那么它會帶走所有被它吞噬的物質(zhì)。這樣一來，信息就不會被保存下來，而是會消失。這一顛覆，讓科學(xué)突然之間沒道理了。物理學(xué)由此面臨一個巨大的困境，就是被黑洞吞噬的物體最終去哪里了。這一問題引發(fā)了著名的“黑洞信息悖論”。

“這一悖論還沒被完全解決?！泵绹聺晌髦莸钠樟炙诡D高等研究院的胡安·馬爾達(dá)西納（Juan Maldacena）說道，“對于如何解決它，有各種不同的想法，但沒有一種想法得到了這一領(lǐng)域的其他人的認(rèn)同?！逼渲芯桶ɑ艚鹱钚碌年P(guān)于黑洞的看法。這一想法重新定義了“事件視界”。簡單來說，霍金似乎是在用一個更溫和的“視邊界”的概念來取代“事件視界”。在“視邊界”里，物質(zhì)和能量會被暫時性地扣留，但最終會被釋放出去。如果這是真的，那將會改變我們對黑洞的認(rèn)識。

霍金在他的論文中寫道：“‘事件視界的缺失意味著黑洞不存在，這一意義上的黑洞指的是連光線都無法逃離的物理環(huán)境?！?/p>

波欽斯基認(rèn)為，根據(jù)霍金的想法，黑洞確實可以困住信息很長一段時間，但這些信息最終會逃離，而不是被吞噬?；艚鸬倪@一說法并未得到證實?！巴艘徊絹碚f，我們現(xiàn)在確實面臨著量子力學(xué)和愛因斯坦的廣義相對論兩大物理定律的沖突，而我們有充足的理由去相信這兩大理論的真實性。但如果你把兩者結(jié)合，會發(fā)現(xiàn)我們之前關(guān)于黑洞信息丟失的預(yù)測是一個錯誤。”波欽斯基說道。

關(guān)于這個問題，在過去的40年里，物理學(xué)家提出了多種解決方案，促使人們?nèi)ブ匦滤伎己诙磧?nèi)發(fā)生的一切。比如，1992年李奧納特·蘇士侃（Leonard Susskind）、拉若斯·拉爾索休斯（LarusThorlacius）以及約翰·烏格羅姆（John Uglom）提出了“黑洞互補(bǔ)原理”，之后又有了復(fù)雜的黑洞“火墻悖論”。2012年，波欽斯基和他的同事們發(fā)現(xiàn)了“事件視界”的一個問題。當(dāng)粒子進(jìn)入“事件視界”后，會被黑洞引力所撕裂。而研究表明，這些原子分解時會釋放出能量，從而形成一個圍繞著黑洞中心的“火墻”，也就是說，“事件視界”是一個高度活躍的區(qū)域。但這一觀點卻與愛因斯坦的廣義相對論相沖突，因為廣義相對論認(rèn)為“事件視界”里沒有什么反應(yīng)發(fā)生。這就是著名的“火墻悖論”。

這也是霍金在最新發(fā)表的論文里建議物理學(xué)家重新思考“事件視界”的原因。霍金在最新的論文里表明，并不存在一個被損耗的“事件視界”，“視邊界”才是黑洞的真正邊界。

“如果你覺得困惑，那么你并不孤獨(dú)。”馬特·斯特拉斯（Matt Strassler）說道。他是羅格斯大學(xué)的理論物理學(xué)家，也是一位博客作家。整個理論物理學(xué)界仍然致力解決這些問題，而霍金的這一想法只是十幾個提議里的一個。他說：“這一領(lǐng)域有很多不和諧的聲音……這一問題還沒人能實際去計算并解決。所以，這些都還只是想法、提議、粗略估計和猜想。”

“值得注意的是，霍金的提議沒有得到同行的評議，也沒有提出公式，所以我們沒有辦法去驗證他的新想法。因此，他關(guān)于黑洞的論述還不能被當(dāng)做科學(xué)界的重大突破?！辈J斯基說道。

霍金于2014年1月22日在arXiv 網(wǎng)站上發(fā)表了自己的論文，這是一個由康奈爾大學(xué)維護(hù)的學(xué)術(shù)論文網(wǎng)絡(luò)。

如何解決這些圍繞著黑洞的悖論呢？迄今為止，可以簡單測試并解決這一新設(shè)想的數(shù)學(xué)公式還不存在。但這些是概念問題，而不僅僅是數(shù)學(xué)問題。斯特拉斯說：“這不是那種可以依賴計算機(jī)進(jìn)行的運(yùn)算，我們甚至沒辦法搞清楚究竟應(yīng)該問什么問題。這些計算會涉及非常微妙的結(jié)果，而計算機(jī)是無法捕捉到的?！?/p>

這個問題讓這一領(lǐng)域的每一個人都感到困惑。但這一困惑也讓物理學(xué)家感到興奮，因為解決悖論會讓這一領(lǐng)域得到進(jìn)步。 “這并不是個錯誤，只是在某種程度上，我們關(guān)于量子力學(xué)和廣義相對論的一些假設(shè)是有問題的，而我們正試著去弄清楚這究竟是怎么回事。這是困惑，同時我們也希望可以由此走向進(jìn)步?！辈J斯基說道。

背景知識

黑洞是廣義相對論預(yù)言的，在宇宙空間中存在的一種密度相當(dāng)大的天體。黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡后，發(fā)生引力塌縮形成的。黑洞的密度是如此之大，它產(chǎn)生的引力場是如此之強(qiáng)，以至于任何物質(zhì)和輻射都無法逃逸，就連傳播速度最快的光（電磁波）也逃逸不出來。在黑洞的周圍，是一個無法偵測的“事件視界”，標(biāo)志著無法返回的臨界點。endprint