除了黑洞,還有白洞、灰洞和黑洞火牆?過去15年,黑洞理論的極速發展丨黑洞戰爭21丨AC茂的模
《黑洞戰爭》一書完成於2008年
彼時還有一些新的關於黑洞的理論尚未問世
那麼這期就做一些查漏誤缺工作
講講2008年至今的一些新理論
在《統一之路》系列中
我曾經非常詳細地介紹過
圈量子引力論對黑洞信息悖論的解釋
所以在這次的《黑洞戰爭》系列視頻中
我完全沒有提到圈量子引力論
不過當時的視頻中
遺漏了圈量子宇宙學的一個
和白洞有關的理論
如果黑洞能夠通往宇宙的其他地方
或者另一個宇宙
那麼出口需要有與黑洞相反的東西
蘇聯宇宙學家伊格爾·諾維科夫
在1964年提出了白洞理論
他認爲一個黑洞連接着一個
存在於過去的白洞
與黑洞相反
光和物質能夠離開白洞
但是無法進入
在2013年發表的
《物理評論快報》的一篇論文中
美國路易斯安那州大學的
基於圈量子引力論
對黑洞進行了研究
他們發現越接近中心引力越大
但穿過中心後引力變弱
任何落入黑洞的事物
都會在宇宙的另一端被拋出
這項研究支持了
黑洞只是個入口的假說
在這項研究中
起點不存在
所以落入黑洞的事物
不會因爲撞上起點而毀滅
而同樣也意味着
圈量子引力論的創始人之一
物理學家卡洛·羅威利
和哈爾·哈加德
在一項發表於
《物理評論》D上的研究中
闡述到
有一個經典度量
可滿足有限時空區域之外的
愛因斯坦方程
在那裏物質坍縮成黑洞
然後又從白洞中出現
意思是說
黑洞吞下的所有物質
都可能被拋出
而黑洞死亡後
有可能會變成白洞
黑洞的坍縮
並不會破壞其中的信息
相反
它會經歷一次量子反彈
允許所有的信息逃逸
如果事實如此
這就能在一定程度上
解釋黑洞信息悖論
不過
這種需要引入
至今還未找到
任何存在證據的白洞的理論
並沒有
掀起波瀾
滾
在2008年之後的黑洞理論中
唯一閃盡了波瀾的
只有AMPS火牆理論
在2012年的夏天
一個物理學家小組
約瑟夫·波爾欽斯基
安哈邁德·阿爾姆海里
唐納德·馬洛夫
和詹姆斯·蘇利
設計出一項思想實驗
AMPS小組意識到
黑洞互補性原理
完全基於一個前提
那就是黑洞的世界
將可以調和落入者和觀測者
所見的不同事實
一個落入者
張三越過世界
他自己什麼都沒感覺到
而觀測者李四
卻看到他瞬間
變成了一個物理渣男
這兩個事實可以同時存在
因爲李四看不到
進入世界的張三
但是
如果李四找到了一種方法
可以不需要親自穿越世界
而得知世界內部情況的方法
那將會怎樣呢
如果只是簡單的
應用廣義相對論
那麼這個問題將不能成立
但是加入了量物理學
就不一定了
李四或許有一種方法
可以窺見世界內的狀況
那就是我們熟悉的
AMPS小組的思想實驗
正是基於此
假設李四掌握有
靠近世界的一組信息A
如果他的故事是正確的
張三已經在黑洞邊界附近
化爲人渣
那麼信息A
必定與另一組信息B之間
存在糾纏
信息B應當與那團
高溫粒子流有關
而另一方面
如果張三的故事是正確的
他應該在世界的內部
安全地存活着
那麼信息A
則必須與另一個不同的信息C
相互糾纏
這個信息C
應當與黑洞內部的
某種東西有關
這裏就出現了矛盾
每一組信息
都只能被關聯一次
也就是說信息A
只能在B和C之間關聯一次
要麼與B糾纏
要麼與C糾纏
因此李四手裏握有信息A
並將它放入他的糾纏解析機
此時這臺機器將會顯示答案
要麼B
要麼C
而不會是兩者同時顯示
如果顯示的答案是C
那麼張三的故事勝出
但量子力學原理將會崩潰
如果信息A與深入黑洞內部的
信息C相互糾纏
那麼對於李四而言
他所掌握的信息A
從此將永遠消失
這就違背了量子力學所規定的
信息不可丟失的原則
那麼如果顯示的結果是B呢
如果解析機顯示的答案是B
那麼李四的故事勝出
但愛因斯坦的廣義相對論將會崩潰
如果信息A與信息B相互糾纏
那麼李四的故事就是真實的版本
也就是說張三真的已經化爲人渣
而不是安然無恙地通過世界
就像廣義相對論所要求的那樣
他遭遇到一堵真實存在的火牆
這樣一來
我們就被迫回到夢開始的地方
當一個人墜向一個黑洞時
究竟會發生什麼
他會安然無恙地通過世界
還是會在下落過程中一頭撞上火牆
而被燒成渣
線索之一或許就在李四的糾纏解析機上
想解析出信息A糾纏的另一個信息
是極其困難而複雜的
普林斯頓大學的物理學家丹尼爾·哈羅
和斯坦福大學的物理學家帕特里克·海登
想要知道這樣的解析過程
需要花費多長時間才能完成
在2013年
他們計算的結果發現
即便藉助物理學原理極限
所允許的最強大的計算機
李四想要解析出所需要的信息
也要耗費極其漫長的時間
到他最終解析出結果時
那個黑洞早就已經完全蒸發
從宇宙中消失了
如果這一結果是正確的
那麼解析過程本身的極端複雜性
將阻止李四找出兩個版本故事之間
哪個是真實的努力
這樣就只能假設這兩個故事都是真實的
何爲現實
僅僅取決於兩個不同的觀測者
所有的物理學定律都將不會被違背
張三已經死亡
化成了灰燼
但同時他也安全地通過了事件邊界
沒有遭遇到可怕的火牆
並安然無恙地活着
這一結果也啓發了物理學家們
去思考一些新的問題
有許多理論被提出來解決這個困境
其中的大多數都是我們沒聽說過的
媒體們只喜歡報道霍金的觀點
那是因爲他很出名
但他的建議只是衆多想法中的一個
而這些新理論無一例外地都遇到了同一個問題
沒有足夠的方程
對具體的物理過程提供證據和細節
也正是因爲沒有足夠的方程
才導致了黑洞火牆悖論
你可能聽說過毛毛球黑洞理論
ER等於EPR
霍金提出的灰洞理論和軟毛黑洞等等
這些都是這一時期被提出來的新理論
但沒有一個具有足夠的說服力
時至今日
火牆究竟是否存在
黑洞的內部又是如何的
我們能否探測它
量子糾纏在時空的衍生中
究竟扮演着多麼重要的角色
時空是否又有一些性質
是量子糾纏所無能爲力的
這些問題的答案依然有待人們去回答
最後讓我們的話題再次轉回霍金
在2014年發表的研究中
霍金迴避了事件世界這一說法
而是提出引力坍縮會產生一個表觀世界
這意味着沒有任何東西會因世界而燃燒
表觀世界會阻止光線離開黑洞中心
並持續一段時間
在霍金的新理論中
表觀世界只暫時困住了物質和能量
但最終表觀世界會消失
並釋放物質能量
這一解釋支持了認爲信息不會消失的量子理論
如果能得到證明
這就意味着任何事物都可以從黑洞中逃脫
霍金甚至更進一步認爲黑洞或許並不存在
他寫道
黑洞的中心不存在起點
黑洞應該被重新定義爲引力場的壓穩定束縛態
由於引力作用
表觀世界內的物質會逐漸向內移動
但永遠不會坍縮到中心
這個觀點與圈量子宇宙學的普朗克星
有一舉同工之妙
但如果霍金的這種說法是正確的
那麼任何被釋放出來的信息
都不再是它們被吞噬前的樣子
我們就無法通過被釋放的信息
來還原它們進入時的狀態
這同樣會導致信息的丟失
可以肯定的是
黑洞信息悖論這個黑洞戰爭的核心問題
還會困擾科學家很久
羅維利和維多託最近提出
2018年
霍金生前的最後一篇論文
《黑洞傷與軟毛》發佈
軟毛是黑洞世界上的光子
它們會儲存落入黑洞的物質的信息
但由於事件世界的存在
這些信息從外部看起來
好像全部消失了
這些視頻比較雜亂地介紹了一些新的黑洞理論
它們中的大多數都是通過數學計算
或思想實驗構造的
如果現實的真正本質仍然隱藏在某處
那麼找出它們最好的地方就是黑洞
既然這些深淵巨物就普遍存在於我們的宇宙中
也許想辦法觀測它們的真實面貌纔是正道
當然
在物理學家們真正有把握地搞清楚黑洞火牆的問題之前
我們最好還是站在世界外觀測會比較好一點
或者我們就把萬能的張三送進去
畢竟能力越大責任越大嘛
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