救命?。∥业暨M(jìn)黑洞了

孔詩槐

想象你在太空中漂浮著。周圍安靜且寒冷，有點(diǎn)令人生畏。突然間，你感覺到一股牽引力，起初是微弱的，但當(dāng)它把你拉向天空的一個空曠的區(qū)域時，這股牽引力會變得越來越強(qiáng)。在你搞清楚這是怎么一回事之前，你已經(jīng)掉進(jìn)了一個黑洞里。

隨著人類有史以來第一張黑洞照片的問世，人們對這種時空怪獸存在性的任何懷疑都將被消除。但是關(guān)于其內(nèi)部會發(fā)生什么事情，物理學(xué)家對此仍有著很大的爭議。那么，不幸掉進(jìn)黑洞的你可能會有什么樣的命運(yùn)呢？

開始掉進(jìn)黑洞

所有物體都互相施加引力，但在大多數(shù)情況下，這個力是很弱的。但黑洞的引力十分強(qiáng)大，以至于任何東西，甚至包括光，都無法從黑洞中逃脫出去。黑洞的超強(qiáng)引力還會導(dǎo)致周圍時間流逝的速度大幅度減緩。當(dāng)你掉進(jìn)黑洞的時候，你不會有什么不同的感覺，但是對于任何在遠(yuǎn)處的觀察者來說，你掉進(jìn)黑洞的過程卻顯得很漫長，甚至看不見你掉入黑洞的完整過程：隨著你逐漸靠近黑洞，你的影像會需要越來越長的時間抵達(dá)觀測者的眼睛里，而且影像中的光會被黑洞的引力拉得越來越長，這樣，在觀察者的眼中，你的影像越來越暗，顏色越來越紅，直到從觀察者的視野里消失。

接近這個黑洞時，你會注意到有一層光子沿黑洞表面繞黑洞轉(zhuǎn)動，形成一個由光子構(gòu)成的球狀殼層，這就是黑洞的光層。穿過眩目的光層后，你會眼前一片黑暗，并且撲面而來的黑暗，似乎比你想象的要快得多。此外，由于黑洞的引力彎曲了周圍的時空，恒星發(fā)出的光線經(jīng)過黑洞邊緣時會發(fā)生明顯的彎曲。

這是你最后一次逃脫的機(jī)會。再往前走，你就會越過事件視界，即進(jìn)去就再也出不來的分界線。當(dāng)你穿過事件視界后，如果你有足夠的力氣回頭看一眼身后的星空，你會注意到身后所有的星光都會聚集在一起，最終形成一個單一的紅點(diǎn)，這是因?yàn)橹車墓饩€因黑洞的引力發(fā)生嚴(yán)重扭曲導(dǎo)致的。同時，周圍的空間會變成完全的黑暗，你會感覺到自己正沿著下坡路前行，而且你會感覺處處都是下坡路。

然后，你的身體會遭受巨大的折磨。黑洞內(nèi)部的引力增加得如此之快，導(dǎo)致你身體各個部分受到引力之間的差距十分巨大，最終你的身體會因引力差而被拉伸，就像拉面一樣，直至四分五裂。如果你的雙腳朝著黑洞中心掉進(jìn)黑洞的話，那么你的腳踝會首先從小腿拉扯出來，最終你的脖子會拉成面條，但整個的過程會在眨眼之間發(fā)生。但這種表達(dá)方式其實(shí)并不準(zhǔn)確，因?yàn)槟阍谶@個過程中來不及眨眼，眼睛就有可能會突然彈出眼窩。

接著，組成你身體的物質(zhì)會被擠壓到黑洞中心那無限致密的奇點(diǎn)上。雖然你早已死亡，但是組成你身體的信息仍以某種形式存在于黑洞中。

我們接下來要討論一下，你的信息最終會去哪里呢？下面給了幾種可能：

一、完全消失;

二、被黑洞打嗝噴出來;

三、從一個白洞逃離出來;

四、成為一股輻射。

下面我們分別探討一下這幾種可能：

一、完全消失

熱力學(xué)定律是無情的，即使是黑洞也無法逃脫它們的審判。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，宇宙的熵（表示混亂程度的物理量）會隨著時間的流逝而增加。所以當(dāng)你掉進(jìn)去的時候，你的身體所包含的熵不能被抹去，它必須成為黑洞的熵的一部分，這代表黑洞應(yīng)該也有很多熵。但是根據(jù)熱力學(xué)定律，如果黑洞有熵，它一定有溫度，所以像任何有溫度的物體一樣，它必然會產(chǎn)生熱輻射。

這種任何東西都無法逃脫的時空區(qū)域里，如何產(chǎn)生出來輻射的呢？1974年，英國物理學(xué)家斯蒂芬·霍金解決了這個問題。他認(rèn)為黑洞會產(chǎn)生輻射，即霍金輻射，但不是從黑洞的中心冒出來的，而是在黑洞外靠近事件視界的地方產(chǎn)生的。

量子理論認(rèn)為，真空中充滿了無數(shù)個虛粒子-反虛粒子對，它們會自發(fā)地成對出現(xiàn)，然后幾乎在瞬間彼此湮滅。如果這種粒子對出現(xiàn)在黑洞事件視界附近的話，那么其中的一個會掉進(jìn)黑洞，另一個可以逃離黑洞。逃離黑洞的粒子具有正能量，根據(jù)能量守恒定律，掉進(jìn)黑洞的粒子則會具有負(fù)能量，負(fù)能量進(jìn)入黑洞內(nèi)部會導(dǎo)致黑洞質(zhì)量的減少。這樣，黑洞就會不停地產(chǎn)生粒子并向外輻射，并損失質(zhì)量。從外界看來，黑洞好像在慢慢蒸發(fā)。黑洞越小，蒸發(fā)速度越快，直到黑洞完全的蒸發(fā)。但這一過程是極為緩慢的，一顆普通恒星死亡產(chǎn)生的黑洞需要經(jīng)過約1066年才能蒸發(fā)殆盡。

許多物理學(xué)家認(rèn)為，霍金輻射不能攜帶任何與掉入黑洞的物質(zhì)有關(guān)的信息。這意味著如果一個黑洞完全蒸發(fā)掉了，那么你以及里面其他物質(zhì)攜帶的信息也就隨之消失了。

但這卻違背了物理學(xué)的另一個基本原則：信息不能被摧毀。如果信息能被摧毀，那么就破壞了整個物理學(xué)的根基。這個問題被稱為黑洞信息悖論，物理學(xué)家當(dāng)前還無法解決這個悖論。

結(jié)論：如果一個黑洞能摧毀信息，那么它就能摧毀所有關(guān)于你的信息。

二、被黑洞打嗝噴出來

一些物理學(xué)家建議，當(dāng)黑洞通過霍金輻射蒸發(fā)時，你可以耐心在其中等待，當(dāng)黑洞臨近死亡時，你的一些信息也許被它打嗝噴出來。這樣的話，至少你的一些信息不會永遠(yuǎn)丟失。

黑洞打嗝的機(jī)制是這樣的：在遙遠(yuǎn)的未來某個時候，黑洞的事件視界將變得如此之小，甚至都無法容下一個粒子。在那個時候，與你身體相關(guān)的殘留信息將會被突然吐出來，然后，黑洞最終蒸發(fā)殆盡，只留下一個空白的空間。

但是，等待黑洞打嗝，可能存在一個問題。黑洞的質(zhì)量越小，蒸發(fā)速度越快，但黑洞的質(zhì)量越小，內(nèi)部剩余的殘余信息也就越少。黑洞變小到足以吐出內(nèi)部的信息時，里面幾乎沒有什么東西可以排出來了。黑洞會隨著一聲嗚咽而消失，而關(guān)于你身體的任何殘留痕跡，可能早就消失很久了。

結(jié)論：你想借助黑洞打嗝吐出自己的信息，但這種可能性很小。

三、從一個白洞逃離出來

黑洞不允許任何東西逃脫其引力，與之正好相反的是，被稱為白洞的假想天體不允許任何東西進(jìn)入它里面。一些物理學(xué)家認(rèn)為，每個黑洞都通過一個蟲洞與一個白洞相連，掉進(jìn)黑洞的你最終會從白洞甩出去。

然而，法國艾克斯-馬賽大學(xué)的物理學(xué)家卡洛·羅維利認(rèn)為，也許你可以在不需要蟲洞的情況下，找到一個白洞作為出口。他認(rèn)為，每個白洞過去都是一個黑洞，這意味著在遙遠(yuǎn)的將來，當(dāng)黑洞轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€白洞時，你的身體可能會被吐出來。但這種轉(zhuǎn)變是如何發(fā)生的呢？

一旦恒星坍縮形成黑洞，其組成的原子會緊密地結(jié)合在一起，并開始受到量子物理定律的制約，這會導(dǎo)致一些奇怪和反直覺的現(xiàn)象。其中最重要的現(xiàn)象就是所謂的量子隧穿效應(yīng)，它說，粒子都有一個很小但非零的機(jī)會，穿過一個原本無法穿透的屏障，并繼續(xù)直行。羅維利認(rèn)為，對于落進(jìn)黑洞的粒子來說，這意味著理論上它們可以直接穿過中心無限密度的“奇點(diǎn)”，然后反彈回來。根據(jù)愛因斯坦的理論，掉進(jìn)黑洞的東西會到達(dá)中心，然后它不能再回來了，但是量子理論允許它從中心隧穿過去，并從黑洞中反彈出來。

當(dāng)粒子從黑洞中開始向外發(fā)生反彈時，此時的黑洞就演變?yōu)榱艘粋€白洞。你身體里的粒子奔向黑洞的中心并穿過中心的奇點(diǎn)，然后在反彈開來，總共過程只需幾毫秒的時間。但因?yàn)橄鄬φ撔?yīng)，一個外部的觀察者需要等待數(shù)十億年的時間才有可能觀察到黑洞的這種轉(zhuǎn)變。

結(jié)論：恭喜你，你找到了逃離黑洞的方法。盡管你看起來不再是原來的你了。

四、成為一股輻射

這個可能與第一個“完全消失”有點(diǎn)聯(lián)系。前面已經(jīng)說了，斯蒂芬·霍金認(rèn)為，黑洞不斷地向外產(chǎn)生輻射。那么，一個問題隨之而來：你身體的信息是否能以霍金輻射的形式泄露出來呢？答案是，如果真的會發(fā)生這種情況的話，它會帶來一個更大的麻煩。

霍金輻射的來源是真空中的虛粒子對，如果這種粒子對出現(xiàn)在黑洞事件視界附近的話，那么其中的一個會掉進(jìn)黑洞，另一個可以逃離黑洞。但如果是這樣的話，量子力學(xué)會給我們帶來了一個令人不快的悖論。量子物理學(xué)認(rèn)為，虛粒子對中兩個粒子是處于相互糾纏的狀態(tài)，不管它們相隔多遠(yuǎn)。即使其中一個粒子掉進(jìn)了黑洞，另一個逃離了黑洞，它們之間仍會處于相互糾纏的狀態(tài)。

但根據(jù)量子力學(xué)的要求，為了讓霍金輻射能攜帶信息，輻射出的各個粒子之間必須存在一定的糾纏關(guān)系，而不是彼此獨(dú)立、沒有關(guān)聯(lián)的。也就是說，一個剛輻射出的粒子a，除了繼續(xù)與掉入黑洞的粒子b糾纏外，還得需要與輻射出的另一個粒子x相互糾纏。但問題是，這冒犯了糾纏的“一夫一妻制”原則——一個粒子一次只能與一個粒子發(fā)生糾纏，粒子a不能同時與粒子b和粒子x維持糾纏關(guān)系。如果你希望你的信息能通過霍金輻射離開黑洞，那么就必須解決這個矛盾。

要想解決量子糾纏的“一夫一妻制”原則，目前有兩個可能的解決辦法：

一是召喚出一堵熾熱的火墻。這個火墻存在于事件視界上，它將打破輻射出的粒子a與掉進(jìn)黑洞的伙伴粒子b之間的糾纏關(guān)系，這樣粒子a就名正言順地可以與事件視界外的粒子x維持糾纏關(guān)系，并遵循了粒子的“一夫一妻制”原則。

問題是，這與愛因斯坦的廣義相對論完全不相容，愛因斯坦預(yù)言黑洞的事件視界與周圍的空間不會有任何不同，都是連續(xù)光滑的。換句話說，當(dāng)你穿過事件視界時，不會發(fā)現(xiàn)有一堵熾熱的火墻。

況且即使存在火墻這樣的障礙，它對于你來說，絕對不是一個好事。如果你想穿過它，你會在瞬間灰飛煙滅，其他任何掉進(jìn)黑洞的東西也會如此。

結(jié)論：你掉進(jìn)黑洞時，需要穿過一堵火墻，你會在瞬間變?yōu)榛覡a。雖然這違背了廣義相對論，但掉進(jìn)黑洞中的灰燼里仍有你的信息，可以通過霍金輻射逃離黑洞。

二是利用時空細(xì)長的管道。這是美國斯坦福大學(xué)的倫納德·蘇斯金德和美國普林斯頓大學(xué)的胡安·馬爾達(dá)切納曾提出過的一個特別的黑洞理論。他們認(rèn)為，一個黑洞內(nèi)部會與許多細(xì)長的蟲洞相連，蟲洞的口徑十分細(xì)，能通過它們的只能是微觀粒子。這些蟲洞不會穿過事件視界，而是在一個更高維度的時空中，把黑洞內(nèi)部與黑洞外部直接相連起來。

于是，黑洞想要產(chǎn)生霍金輻射，可以直接通過這些蟲洞從內(nèi)部向外輻射粒子，黑洞內(nèi)部的信息可以從這些蟲洞逃離到外面，這樣就沒有了信息悖論。此外，這種產(chǎn)生輻射的機(jī)制，不需要借助真空中的虛粒子對來解釋，所以，關(guān)于糾纏現(xiàn)象的“一夫一妻制”原則就不需要被打破了，更沒有必要在事件視界上召喚出一堵火墻了。該理論是否合理仍有待商榷，但看起來似乎很完美。

結(jié)論：你的信息也許可以利用時空細(xì)長的管道逃離出去。