霍金自我否定稱黑洞不存在:所有物質均可逃脫

新浪科技訊 北京時間1月26日消息，據英國《自然》雜誌報導，假如有一名物理學家發表一篇文章宣稱黑洞其實是不存在的，至少按照我們平常的定義下是不存在的，那麼他一定會被認為是瘋了。但如果這個人是史蒂芬·霍金，那麼人們大概就要認真的對待這個問題了。作為現代黑洞理論的創建人之一，近日這位英國劍橋大學的著名物理學家在發表了一篇論文，探討了有關黑洞“事件邊界”(event horizon)的問題，即黑洞看不見的實際邊界，物質一旦越過這一邊界就將無法逃脫，即便是光線也不行。

取而代之的，霍金提出了一個新的理論，即一個更加“溫和”的“視邊界”(apparent horizon)，這一邊界只會暫時性地困住物質和能量，但最終會釋放它們。

霍金對《自然》雜誌表示：“根據經典黑洞理論，沒有任何物質能逃離黑洞。”然而量子理論則允許能量和信息逃離黑洞。而要想全面解釋這一過程，這位物理學家承認那將需要一個新的理論架構，在其中統一引力和自然界的其它基本力。但這個問題已經至少困擾了物理學家們長達一個世紀。霍金錶示：“到目前為止這個問題仍然沒有解決。”

霍金於1月22日在arXiv網站在發表了自己的文章，他取了一個非常詭異的論文標題：《信息保持與黑洞天氣預報》(Information preservation and weather forecasting for black holes)，接下來這篇論文還必須等待通過同行評審才能被正式認可。這篇文章撰寫的基礎是2013年8月份在美國加州聖巴巴拉卡維利理論物理研究所召開的一次會議，在那次會議上，霍金通過Skype軟件遠程參與並發表了講話。

解決防火墻悖論

霍金的這項工作目的是想嘗試解決所謂的“黑洞防火墻悖論”。在過去的兩年多來，這個問題一直困擾物理學家。它最早是由卡維利研究所的理論物理學家約瑟夫·波欽斯基(Joseph Polchinski)和同事們提出來的。

在一次思想實驗中，波欽斯基想象如果有一名不幸的宇航員落入黑洞時將會發生什麼事情。事件邊界是愛因斯坦廣義相對論下自然導出的數學結果，其最早是由德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)在1915年寫給愛因斯坦的一份信件中給出的，當時距離愛因斯坦發表其廣義相對論還不到1個月。根據這一理論，宇航員在經過事件邊界時將渾然不知，他會繼續下降，直到開始感受到引力將其身體拉長——所謂的“義大利面化”，並最終抵達黑洞的核心——奇點，粉身碎骨。所謂奇點是理論上認為存在的黑洞核心體積無窮小，密度無限大的一個奇特區域。

然而，當波欽斯基仔細審視這一情景時，他和研究組發現，如果考慮量子理論原理，那麼這裏的情景可能將會被完全顛覆。量子論被認為是控制微觀粒子運動行為的物理理論。他們認為，根據量子理論，黑洞的事件邊界應當是一個劇烈的高能區域，或者可以將其視作黑洞的“防火墻”，它會將穿過這一區域的宇航員“焚燒”。

這一就生了問題——盡管黑洞防火墻理論遵循了量子理論，但它與愛因斯坦的廣義相對論不盡吻合。根據廣義相對論，這名正在經歷自由落體的宇航員應當會感受到與在宇宙其它區域完全相同的物理學效應，不管他是正在向一個黑洞下落，還是他正漂浮在空曠的星系空間裏。根據愛因斯坦的理論，黑洞的所謂事件邊界應當是一個“不那麼顯眼”的區域。

超越邊界

現在，霍金提出了第三種理論，這是一種新的嘗試。根據這一理論，量子論和廣義相對論仍然保持各自的正確性，但霍金的理論認為黑洞不存在“放火墻”一般的事件邊界，因為黑洞的引力導致其附近的時空劇烈震蕩，因而無法構成一個分明的邊界。

取而代之的，霍金提出一個所謂“視邊界”的名詞，並將其定義為光線無法從中逃逸的界面。根據廣義相對論，對於一個不發生變化的穩定黑洞，這樣的兩個邊界是相同的，因為試圖從黑洞內部向外逃逸的光線最終只能抵達事件邊界，此后就無法再繼續往前，就像人在跑步機上奔跑。但理論上看，這兩個邊界定義也有可能不出現重合。條件是如果黑洞正不斷吞噬新的物質，此時其事件邊界將會不斷擴張，使其比“視邊界”的範圍更大。

相反的，在上世紀1970年代，霍金曾經提出黑洞會“蒸發”的觀點，即通過所謂“霍金輻射”的方式散失能量並不斷收縮。在這種情況下，理論上事件邊界將會逐漸縮小到比視邊界更小的範圍。而此次霍金的最新理論認為這一視邊界應當被作為是黑洞的真實邊界。在論文中，霍金寫道：“沒有事件邊界就意味不存在黑洞——如果我們對黑洞的定義是光線永遠無法從中逃脫的話。”

唐·佩吉(Don Page)是加拿大艾伯塔大學物理學家，黑洞研究專家，他曾經在上世紀70年代與霍金合作開展研究。他：“霍金教授給出的圖景看起來是合理的。可以直接否定事件邊界的存在是非常大膽的。但這一區域是高度的量子情景，甚至對於時空的定義都還存在一些模糊地帶，更不要去定義一個精確分明的事件邊界了。”

盡管佩吉能夠接受霍金所提出的有關一個不存在事件邊界的黑洞理論，但他對於這一理論是否就能夠解決防火墻悖論心存疑慮。他指出，對於霍金所提出的“視邊界”設想，哪怕它只是存在一瞬間，也會造成和先前事件邊界同樣的問題。

但和事件邊界不同，視邊界會最終消失。佩吉指出，霍金的理論正在開啟一扇大門，這裏是一種看起來非常極端的觀點，即：理論上任何物體都可以從黑洞中逃脫。盡管霍金在他的論文中沒有明確指出其所謂“視邊界”最終將會以何種方式消失，但佩吉猜想應當是這樣的情形，即當其收縮到一定的程度，此時來自引力和量子理論的效應得以相互調和，此時視邊界就會消失。那時，此前黑洞中被困住的所有東西都將會被釋放出去——盡管它們可能早已經面目全非。

如果霍金是正確的，那麼黑洞的核心甚至也可能並不存在所謂的奇點。相反，物質只會被暫時性的困在黑洞視邊界后方，並在黑洞引力作用下不斷向下掉落，但永遠不會抵達其核心並被壓碎。有關這些物質的信息也不會被毀滅，但會被完全攪亂，以至於當其最終被通過霍金輻射的形式再次釋放出去時，這些信息已經面目全非，几乎不可能再解譯出其當初的模樣。佩吉表示：“這簡直比你想從已經燒成灰的書本中恢復上面寫的內容還要困難。”在他的論文中，霍金則將其比作對天氣的提前預報——從理論上看是可能的，但實際上你永遠無法在很高的精度上實現這一點。

然而，波欽斯基則對於自然界中能否存在不擁有事件邊界的黑洞感到懷疑。他認為霍金所描述的那種由於劇烈的震蕩而導致事件邊界無法存在的情況在宇宙中是極其罕見的。他：“根據愛因斯坦的理論，黑洞的邊界與空間中的其它區域沒有太大的差異。我們從未在我們周圍的空間中觀察到時空震蕩現象，從大尺度上來看，這種情況實在是非常罕見的。”

拉斐爾·博索(Raphael Bousso)是美國加州大學伯克利分校的理論物理學家，之前也曾經是霍金的學生，他指出，霍金的這項研究反映出物理學家們是多麼憎惡“黑洞防火墻”的存在。但與此同時他對於霍金的這一理論本身則持謹慎態度，他：“霍金的理論認為不存在一個分明的點，用以劃分你無法從黑洞逃脫的區域範圍，但這一觀點本身比防火墻的存在似乎更加激進，讓人生疑問。”他表示：“但有一項事實是，在霍金髮表其第一篇有關黑洞和信息的論文之后40多年，我們仍然還在對這一問題探討不休，這一點本身就足以證明其巨大的影響力。”(晨風)