落入黑洞一定會灰飛煙滅嗎？新理論說沖入奇點或許還能看看內部什麼樣

長時間以來，物理學家一直堅稱人類不可能揭開黑洞之謎。任何物體一旦進入黑洞便一去不返，無法開展研究。少量物質和能量也許能夠以「霍金輻射」的形式逃離黑洞的魔爪，但任何落入黑洞的物體都將從實體宇宙中消失不見。

現代物理有這樣一條基本假設：任何物體只要落入黑洞，就無法再聯繫到它，也無法預測其未來情況。任何觀察者都不可能在黑洞內部存活，甚至來不及瞥一眼四周，就會徹底湮滅。

然而，一群來自葡萄牙、加拿大、荷蘭和美國的數學家和物理學家則試圖在該假說中找到一個缺口。目前該研究規模還很小，但已經在學界激發了不少興趣和相關研究。

研究人員在在1月17日發表在期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上的論文中指出，在一些極端情況下，理論中的觀測者能夠穿越黑洞邊界，且不會立即毀滅。假如你駕駛堅不可摧的宇宙飛船沖入這些奇點（即黑洞的物質和能量全部消失的點）的事件邊界，也許還能活著看一眼黑洞內部的模樣。這一理論如同在黑洞之謎上敲開了一道小小的裂隙。

要理解這對物理學家而言為何如此重要，首先要明白他們是如何看待宇宙的。

宇宙審查假說（cosmic censorship hypothesis）指出，黑洞邊界如同一堵密不透風的牆，不可能觀測其內部情況。該假說由數學家羅傑·潘洛斯（Roger Penrose）於1969年率先提出，後來史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）、基普·索恩（Kip Thorne）等人對該假說展開辯論。幾十年來，該假說屢經修改，但始終未被列為正式理論。但對一些研究人員而言，它就像一種信仰，能夠完美整合現代宇宙模型中一些尚未弄清的問題。

但此次新發表的論文認為，宇宙審查假說在這些特殊黑洞的邊界區域無法成立。如果觀察者能夠突破可預測、可觀測區域，深入黑洞中的神秘地帶，就意味著物理學有望將未知變為已知。

宇宙：一座未來牢籠

物理學家希望宇宙能像鐘錶一樣運行。設置好所有原始條件，把這顆恆星放在這裡，那顆行星安在那裡，再在那邊角落裡放一波能量，接下來就交由宇宙法則決定整個系統如何隨時間變化。物理學家假定所有物質都遵循隱形的「軌道」運行，從一個目的地奔赴下一個目的地。雖然人類和超級計算機預測未來的能力有限，但物理學家一般假定，未來如何早有定數。就連古怪隨機的量子力學，其實也並未違背這條根本性的物理學決定論。

「在量子力學範疇內，有些事情當然是無法由決定論預測的，比如原子何時會衰變等。」加州大學伯克利分校數學家、克雷數學研究所的助理研究員皮特·辛茨（Peter Hintz）在採訪中表示，「但我們可以預測量子可能衰變時間（和不可能衰變時間）的概率分布情況。」

從量子力學來看，宇宙由眾多不斷變化、相互交織的概率分布組成，這無疑比牛頓、甚至愛因斯坦構建的世界觀複雜得多，也令人困惑得多。但它本質上仍未脫離決定論。世間萬物都被禁錮在自己命定的軌道上，斗轉星移，始終不變。

黑洞：或打破牢籠

決定論唯一失效的地方便是奇點內部。如果將足夠的質量和能量壓縮在一起、使其坍縮成為一點，愛因斯坦法則便會失靈。突然之間，物理法則開始使不可能成為可能，使有限的答案成為「無限」。

奇點處的引力有多大？無窮大。奇點處的時空彎曲度有多高？無窮高。

在這種情況下，我們熟知的物理學可謂束手無策。

無論奇點內部會發生什麼，現代物理學都無力解釋。而根據潘洛斯對宇宙審查假說的解釋，我們所在宇宙中的科學家永遠無法獲知真相。時空的結構決定了我們註定與事實無緣：所有已知的奇點要麼被封鎖在黑洞事件邊界內部，要麼隱藏在宇宙大爆炸之初那段不為人知的歷史中。

灰飛煙滅

雖說今年1月17號發表的那篇論文只是冰山一角，但它捅開的裂隙很可能越變越寬，直至顛覆整個宇宙審查假說。

辛茨和同事們指出，在特定情況下，黑洞周圍的「死亡之牆」的確有可能瓦解。

在科學家探討黑洞邊界附近區域的宇宙審查假說應用情況時，討論重點之一便是能量在接近奇點時如何表現。正統觀點認為，時間在黑洞附近會放慢速度（如果你看過《星際穿越》，你肯定明白這一點）。如果在一名宇航員朝事件邊界墜落的過程中向其發射一束白光，從宇航員的視角來看，時間的膨脹效應便會導致光線變化。對宇航員來說，時間流逝得越來越慢。但光源所處位置不變，光線一波波抵達的速度也不變。這樣一來，每道光波波峰到達宇航員所在處的時間便似乎越來越快。這些電磁輻射（可見光也是其中一種）的波峰傳遞至宇航員處的速度越來越快，也就意味著在宇航員看來，波的頻率不斷加快。隨著頻率增加，光線相對宇航員發生藍移，每秒攜帶的能量便越來越多。

在宇航員看來，這道溫和的閃光不久便會變成一束熾熱的伽馬輻射。因此，就在奇點使空間高度扭曲、無從辨認的邊界上，時間似乎完全靜止，頻率激增至無限高，能量也趨於無窮大，絕對不容生命存活。

這是可理解的物理範疇的最後防線，就像神話中看守地獄之門的三頭犬一樣，防線背後便是無窮無盡的虛空。它彷彿在警告人們：只要來到這裡，你就會徹底湮滅。

帶電黑洞

然而，事實也許未必如此。按照辛茨和同事們建立的模型，上述能量藍移之牆亦有消失的可能。

「在我們研究的模型中，宇宙中只有一個黑洞，並且宇宙已處於演化末期，我等其餘物質早已灰飛煙滅，或者消失在了遙遠的奇點中。」辛茨解釋道，「這是一個漆黑、荒涼的世界。」

而他們描述的這個黑洞也不同尋常，帶有很強的電磁電荷。

正常情況下，強帶電粒子總會相互吸引、然後互相抵消。世界上強電荷有很多，例如用氣球摩擦頭髮後、頭髮就會帶上電荷。但大型物體所帶電荷總能互相抵消，使總電荷為零。因此辛茨指出，他們此次研究的黑洞不太可能存在於真實宇宙之中。

不過，物理學家還是會研究帶電黑洞，因為它們和快速旋轉的黑洞非常類似。只不過後者雖然存在，卻難以進行計算。

「電荷就類似於角動量。」辛茨指出。兩者並不完全相同，但效果相似，因此物理學家有時在研究黑洞時會將兩者進行對換。

結果發現，當黑洞所帶電荷足夠強時，另一種效應便會勝過藍移效應，也許能拯救上面那位倒霉宇航員的生命：能量在接近黑洞時會逐漸衰減，而在該研究中，能量衰減的速度竟然超過了藍移速度。因此能量不會在黑洞邊界附近激增至無窮大，而是恰好相反，在邊界處逐漸消逝。

「如果你在越過事件邊界之後還能僥倖存活，決定論就會不攻自破，因為你無法預測此後會發生什麼。」辛茨說道。

爆炸效應

一石激起千層浪。該理論出現後，迅速吸引了大量後續研究。

1月29日，另一支數學家和物理學家團隊在網站arXiv上發表論文，目前正等待同行評審。他們在論文中研究了同一個問題，只不過研究對象是更常見、也更難建模的快速旋轉黑洞。

他們發現，如果沒有辛茨等人設想的「帶電黑洞」這一極端條件，宇宙審查假說仍然完整有效。在他們創建的模型中，能量束接近奇點時仍然會衰減，但速度不夠快，無法阻止致命的藍移效應。在現實與虛無的邊界，仍可能燃起煉獄般的大火。

辛茨強調，他和同事們構建的宇宙模型「離現實相去甚遠」。但此類抽象研究能夠在人們廣泛接受的現實概念中打開缺口，以實驗物理無法企及的方式，探索全新的研究領域。

「對於黑洞的內部情況，很難從外部獲取確鑿的證據。」辛茨指出。

但此次研究說明，不管我們有沒有這個眼福，宇宙中也許總有某種東西能一瞥黑洞內部的真相。

來源：新浪探索

國家空間科學中心微信公眾訂閱號（ID：nssc1958）

國家空間科學中心

進入空間 發現科學 公益服務 科學傳播

ID：nssc1958

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！