黑洞可以抹去事物的過去？

科技 03-01

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【博科園-科學科普】一位數學家提出了一個特別的論點，即你可以在黑洞中生存，並將你的過去抹去。

加州大學伯克利分校(University of California at Berkeley)的科學家們發表了一份令人震驚的新報告，該報告指出：如果你進入一個黑洞，就會完全抹去你的過去。大學的一位數學家發現，在現實世界中可以根據宇宙起源的過去來計算時間和空間的未來，在某些類型的黑洞中，這條定律會失效。

圖片由「博科園」引用自：Wikimedia Commons,CC-BY-SA-4.0,BY Attractor321（https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Black-hole_continuum_and_its_gravity_well.png）

相反如果有人設法進入黑洞，理論上他們可以存活，但他們的整個過去將完全消失，他們將擁有無限的未來。這是科幻小說的素材，引發了各種關於存在本質的問題。雖然物理學家們在過去已經探索過這種不可思議的理論，但科學家們已經找到了解釋這種理論的方法：這個人首先會死於可怕的死亡，然後才會有可能發生的事情。但這位數學家認為他的計算表明：某些黑洞可以讓人從一個決定論的世界進入一個不確定的黑洞。

在現實世界中，你的過去決定了你的未來。如果一個物理學家知道宇宙是如何開始的，她就可以計算出宇宙的未來。但加州大學伯克利分校的一位數學家發現了某些類型的黑洞，在這些黑洞中，這條定律失效了。如果有人冒險進入這些相對良性的黑洞就能生存下去，但他們的過去將被抹去，並可能擁有無限的未來。過去曾有過這樣的說法：物理學家們也曾援引「很多宇宙研究」來解釋它。

圖片由「博科園」引用自：Wikimedia Commons,CC-BY-4.0,BY ESO/L. Cal?ada/M.Kornmesser（https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Artist%E2%80%99s_impression_of_the_black_hole_inside_NGC_300_X-1_(ESO_1004a).jpg）

也就是說某種災難性的（通常是可怕的死亡）會阻止觀察者進入一個時空的區域，在那裡他們的未來不是唯一確定的。這一原則在40年前由物理學家羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)首次提出，它保持了神聖不可侵犯的思想——決定論，即任何物理理論的關鍵。也就是說，考慮到過去和現在，宇宙的物理規律不允許有超過一個可能的未來。

但是加州大學伯克利分校的博士後Peter Hintz說：數學計算表明，對於像我們這樣正在加速膨脹的宇宙中某些特定類型的黑洞，有可能從一個確定的世界中倖存下來，進入一個不確定的黑洞。在未來不可預測的空間里，生活將會是什麼樣子還不清楚。但這一發現並不意味著愛因斯坦的廣義相對論方程是錯誤的。沒有哪個物理學家能到黑洞里去測量黑洞，這是一個數學問題，但從這個角度來看，這使得愛因斯坦方程在數學上更加有趣。

這是一個只能從數學角度研究的問題，但它具有物理意義，幾乎具有哲學意義，這讓它非常酷。這…結論對應於一個嚴重失敗的決定論在廣義相對論中不能掉以輕心的重要性在現代宇宙學」加速擴張。加州大學聖巴巴拉分校(UC Santa Barbara)的加里·霍洛維茨(Gary Horowitz)沒有參與這項研究並表示：這項研究提供了「我所知道的最有力的證據，證明了在引力和電磁理論中，存在著強烈的宇宙研究。Hintz和他的同事上個月在《物理評論快報》雜誌上發表了一篇論文，描述了這些不同尋常的黑洞。

圖片由「博科園」引用自：Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3.0,BY S. Ivanov（https://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_collision_of_black_hole.gif）

黑洞是一種奇怪的物體，它們的名字來源於一個事實，那就是沒有任何東西能逃脫它的引力，甚至連光都無法逃脫。如果你冒險過近，越過所謂的事件視界，你將永遠無法逃脫。對於小黑洞，無論如何都無法生存。靠近視界的潮汐力就足以使任何東西變成義大利面：即拉伸它，直到它變成一串基本粒子。但對於大型黑洞來說，像銀河系核心的超大質量物體，如果不是數十億倍的恆星質量，它的質量是幾千萬倍，那麼穿越視界就會是很平靜的。

因為應該有可能從我們的世界過渡到黑洞世界，物理學家和數學家們一直想知道這個世界會是什麼樣子，並且已經轉向愛因斯坦的廣義相對論方程來預測黑洞內的世界。這些方程一直有效，直到一個觀察者到達中心或奇異點，在理論計算中，時空的曲率變成了無窮大。然而即使在到達中心之前，一個黑洞探險者——誰將永遠無法與外界交流她的發現？可能會遇到一些奇怪和致命的里程碑。Hintz研究的是一種特定類型的黑洞，即一個標準的、非旋轉的帶電荷的黑洞——這樣的物體在視界之內有一個所謂的柯西視界。

穿過黑洞的外部或事件視界，對於一個巨大的黑洞來說是很平常的。安德魯·漢密爾頓的動畫，基於約翰·霍利的超級計算機模擬。圖片版權：John Hawley

柯西視界是決定論被打破的地方，過去不再決定未來。包括彭羅斯在內的物理學家們認為，任何觀察者都無法通過柯西視界，因為都將被消滅。隨著時間的推移，當觀察者接近視界時，時間會變慢，因為在強引力場中時鐘會變慢。當光、引力波和任何其他遇到黑洞的東西都不可避免地落在柯西視界時，一個觀察者也會向內下落，最終會看到所有這些能量在同時發生。實際上，黑洞在宇宙生命周期中所看到的所有能量都在同一時間到達柯西視界，對任何能到達這個高度的觀測者都被遺忘。

然而這可能不適用於正在加速膨脹的宇宙，例如我們自己的宇宙。由於時空正被越來越多地分開，許多遙遠的宇宙將不會對黑洞產生任何影響，因為能量不能以比光速更快的速度傳播。事實上落入黑洞的能量只包含在可觀測的視界之內：黑洞在其存在過程中所能看到的宇宙的體積。例如：對我們來說，可觀測的視界比我們能看到的138億光年更大，因為它包含了我們將永遠看到的未來。宇宙的加速膨脹將阻止我們看到超過465億光年的視界。

一個帶電的球形恆星的引力坍縮的時空圖，形成一個帶電的黑洞。穿越視界的觀察者最終會遇到柯西視界，這是時空區域的邊界，可以從原始數據中預測。Hintz和他的同事們發現，一個由一個問號表示的時空區域，不能像我們自己的那樣，從一個加速膨脹的宇宙的初始數據中預測出來。這違反了嚴格的宇宙審查原則。圖片版權：APS/Alan Stonebraker

在這種情況下，宇宙膨脹抵消了黑洞內部時間膨脹所造成的放大效應，在某些情況下完全抵消了。特別是光滑的、非旋轉的帶有大電荷的黑洞——所謂的「Reissner-Nordstrom-de Sitter」黑洞——一個觀察者可以通過柯西視界進入一個不確定的世界。愛因斯坦方程的一些精確解是非常光滑的，沒有彎曲，沒有潮汐力趨於無窮，所有的一切都很好地表現在這個柯西視界和更遠的地方。穿過柯西視界通道將是痛苦而短暫的。在那之後一切都結束了，在某些情況下，比如一個雷氏-諾德斯特龍-德西特黑洞，一個人可以完全避開中心奇點，永遠活在一個未知的宇宙中。

無可否認，帶電黑洞不太可能存在，因為它會吸引異性，直到它們變成中性。然而帶電黑洞的數學解決方案被用來作為旋轉黑洞內部的替代物，這可能是正常的。Hintz認為光滑、旋轉的黑洞，稱為kerro - newman -de Sitter黑洞，會表現出同樣的行為。可以設定一個帶電恆星黑洞發生崩潰，然後旅行在這個黑洞足夠極值，如果黑洞參數可能是她可以交叉柯西視界，倖存到達地區的宇宙知道恆星的完整的初始狀態，但也不能說會發生什麼，因為很多都為證實。若它不再是由對初始條件的充分了解所決定的，這就是為什麼它很「麻煩」的原因。

圖片：NASA / JPL-加州理工學院

通過與卡多索和他的同事們合作發現了這些黑洞，他們計算了黑洞在引力波的撞擊下是如何形成的，音調和泛音持續時間最長。在某些情況下即使是最長存活的頻率也會衰減得足夠快，以防止將柯西視界變成一個死區。Hintz的論文已經引發了其他論文，其中一篇：大多數「行為良好」的黑洞不會違反決定論，但是Hintz堅持認為有一個違反的例子太多了。自90年代中期以來，人們已經自滿了20年，這種強大的宇宙審研究度總是得到驗證。Hintz的研究得到了加州大學伯克利分校的克萊數學研究所和Miller學院的科學基礎研究的支持。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

作者：DAN TAYLOR

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Morning Ticker

編譯：中子星

審校：博科園

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