单位文秘网 2021-09-02 09:07:39 点击: 次
近几年来,自杀现象有越发严重之势。不过,我们今天要谈的“自杀”却是一种试验,一种基于物理和数学形式的试验,或者说是宇宙中的黑洞试验。它试图解决一个悖论——黑洞火墙是否存在?这涉及到一个根本矛盾:该放弃的,是广义相对论,还是量子力学?
2012年3月,美国科维理研究所的弦论专家约瑟夫·波尔钦斯基(Joseph Polchinski)教授开始思考这样一个“自杀”问题:当宇航员落入黑洞后会发生什么。答案很显然,他一定会死。但是,他会以一种怎样的方式死亡?不同的理论给出了两个截然不同的描述。
广义相对论与量子力学的对抗
经典广义相对论的引力理论给我们讲述了宇航员这样的旅行故事:落入黑洞后,一开始,他不会有什么特别的感觉,尽管他已经穿过了没有物质可以逃脱的事件视界。但在数小时或者数天后(当然,如果黑洞足够大的话,也有可能是数周后),如果他的双脚还是朝向黑洞中心,那么他会开始感觉到,脚部受到的引力比头部受到的引力更强烈。由于宇航员急速下坠,黑洞的引力差会迅速增加,在他落入黑洞无限致密的核心之前将他撕裂。
但是基于量子效应,波尔钦斯基与他的同事、学生通过计算,却为我们讲述了一个完全不同的故事:量子效应会把事件视界变成一个沸腾着无数粒子的大漩涡,任何落入其中的人都会像碰上火墙一样,瞬间化为灰烬。
2012年7月,波尔钦斯基小组发表了他们的研究结果,这个结果震惊了物理学界——它违反了爱因斯坦在1915年提出的广义相对论的引力理论。作为广义相对论的奠基理论,等效原理告诉我们:在某种程度上,只要观察者落入引力场,哪怕是一个黑洞中的超强引力场,他看到的景象与他漂浮在空旷宇宙中看到的也完全一样。没有这个原则,爱因斯坦的理论框架将会被粉碎。波尔钦斯基和他的合作者深知,这个结论会造成多大的影响,于是,他们又为故事安排了另一个结局——事件视界没有形成火墙。然而,这种解决方法也附加了巨大的代价,物理学家将不得不牺牲科学的另一大支柱——量子力学。
“这撼动了我们大多数人所相信的黑洞的理论基础,”加州大学伯克利分校的弦论专家拉斐尔·布索(Raphael Bousso)说,“它本质上是广义相对论与量子力学的对抗,下一步应该往哪走?我们没有任何线索。”加州大学圣巴巴拉分校的量子物理学家史蒂夫·吉丁斯(Steve Giddings)将这种情况描述为“需要一场革命来解决的危机中的物理学”。
数十年来,无数理论物理学家一直在寻找一条道路,这条道路能够完美地形成统一理论——“量子引力”,毕竟它包容着所有的自然基本力。
霍金输掉了科学史上最著名的一次赌局
火墙危机的根源可以追溯到1974年,当时,英国剑桥大学的物理学家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)研究表明,正是因为量子效应才使得黑洞具有温度。若处在孤立状态,黑洞会慢慢喷涌出热辐射——光子和其他粒子,并导致其质量渐渐减轻,直到它们完全蒸发。
在量子领域,“空”的空间并不是空的。在亚微观层面,粒子及其相应的反粒子在迅速重组和消失之前会不断地碰撞。我们只有在观察设备足够精密的实验室中,才能观测到这些亚微观的反应结果。但是,当粒子和反粒子对(受黑洞的引力场激发产生的正反粒子对)恰好出现在黑洞的事件视界外时,其中一个粒子可以在重组之前落入黑洞,离开幸存的合作伙伴,向外辐射。而另一个注定毁灭的携带负能量的粒子,则会平衡冲向黑洞外面带有正能量的粒子,这是由量子定律决定的。由于这个平衡的过程发生在黑洞表面也就是事件视界,而落入黑洞的负能量粒子会与黑洞中的正能量粒子抵消,从而表现为正粒子从黑洞中“跑”出来了,所以该过程又被叫做黑洞蒸发。通过黑洞蒸发,黑洞的质量会逐渐减少,并最终导致黑洞收缩。
多年来,不少研究人员对霍金提出的黑洞原始分析进行了完善和改进,现在几乎已经被人们普遍接受。但随之也带来了一个令人不安的后果:黑洞辐射理论会引出一个挑战量子理论的悖论。量子力学认为信息不能被破坏,原则上,我们可以通过测量从黑洞辐射出的粒子的量子态,来恢复一切落入黑洞的物质的信息。但霍金却认为辐射是随机的,将1千克重的石头或计算机芯片抛入黑洞,其结果将是相同的。就算能够观测黑洞直至它死亡,我们仍然没有办法知道它是如何形成的,或者有什么东西落入其中。这个问题,就被称为黑洞信息佯谬。
黑洞信息佯谬将物理学家划分为两大阵营。霍金阵营认为,信息没有逃离黑洞,在黑洞死亡时,信息会真正消失。而由量子物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)领衔的另一阵营,则坚持用量子力学解释黑洞。约翰说:“我也曾认真地尝试建立一个替代理论,包括信息丢失。但我始终找不到一个能够行得通的理论——没有人可以做到。”两大阵营秉承己方的观点,僵持了20年。1997年,普雷斯基尔公开与霍金打赌:信息并没有丢失,赢家将收到一本百科全书。不过,大多数的科学家认为,这是一个不会有输赢的赌局。
但同年,剑桥大学物理学家胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)的一个发现打破了这个僵局。他认为,我们可以通过对二维边界(2D)进行信息编码,以此对建立在宇宙的任意三维(3D)区域进行描述。如果发生在3D宇宙中的任意事情都可以用2D宇宙中的方程描述出来,那也就意味着,即使3D黑洞蒸发了,它也可以在没有引力、量子规律,且信息永远不会丢失的2D世界中被描述出来。既然信息在2D世界中不可能丢失,那么信息也必须在3D世界中得到保留。因此,无论如何,信息必须能够逃离黑洞。
2004年,霍金公开承认他输掉了赌局,并按照之前的约定送给普雷斯基尔一本棒球百科全书。
争论还在继续
基于马尔达塞纳的发现,大多数物理学家认为矛盾已经解决了——尽管还没有人能够解释霍金辐射是如何将信息从黑洞中“走私”出来的。说到这里,故事似乎应该结束了,但事实并非如此。2012年初,当波尔钦斯基的团队在清理一些未解决的零星小问题时,他们很快又遇到了另一个悖论,并最终将他们引向致命的火墙。
霍金已经表明,任何一个从黑洞逃逸的粒子的量子态是随机的,所以粒子不能携带任何有用的信息。但在20世纪90年代中期,美国理论物理学家莱昂纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)却意识到,信息可以在辐射的量子态整体上进行编码。如果粒子能以某种方式具有自己的“纠缠”态,那么不管相距多远,它都能以某种形式立即影响其伙伴粒子。那么,一个将要辐射出去的粒子,必须与被吞噬进入黑洞的孪生粒子处于“纠缠”态。然而,在量子力学的世界中,一个量子系统不能同时与两个独立系统完全纠缠,这就像如今社会中的一夫一妻制。那么,究竟哪一种纠缠关系才是合情合理的呢?
波尔钦斯基团队不愿放弃在霍金辐射中对信息进行编码,于是他们决定切断逃逸的霍金粒子和落入黑洞粒子的联系。不过,这样的做法过于蛮横,其结果显而易见——无数孪生粒子间的联系被剪断,释放出巨大的能量,并最终将事件视界变成一堵燃烧的火墙,这堵火墙足以烧焦任何落入黑洞的人。然而,这样的结果却违反了等效原理。最终,波尔钦斯基将研究结果在arXiv上公布,向全世界的物理学家提出了一个严峻的抉择:要么接受火墙的存在,承认广义相对论是错误的;要么接受信息会在黑洞中丢失,承认量子力学是错误的。
这篇文章震惊了物理学界,有人说:“这等于非常离谱地宣称,放弃爱因斯坦的等效原理是最好的选择。”此后,在arXiv上以此为题的论文超过了40篇。但目前,还没有人发现这个逻辑中的一个漏洞。如今,争论还在持续发酵,也许通过黑洞,这个理论家眼中的天体,科学家们可以回过头来好好思考一些物理学的基本问题了,让我们拭目以待吧!
名词解释
广义相对论:用几何语言描述的引力理论,将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中,并在此基础上应用等效原理而建立。它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。
量子力学:研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科。它是主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论,与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。
反粒子:每一种粒子都有和它的质量、寿命、自旋严格相等,而电荷却正好相反的粒子存在。该粒子称为反粒子。
等效原理:广义相对论的第一个基本原理,也是整个广义相对论的核心。其基本含义是指重力场与以适当加速度运动的参考系是等价的。
量子态:在量子力学中,微观粒子的运动状态。量子态由一组量子数表征,这组量子数的数目等于粒子的自由度数。
纠缠态:多粒子体系或多自由度体系的一种不能表示为直积形式的叠加态。
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