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霍金的黑洞理论打开了新世界的大门

发布时间:2020-03-23 11:57:14 阅读: 来源:香炉厂家

南极望远镜。

在埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴拍摄的新建成的恩托托天文台。新华社/法新

日前,著名英国物理学家史蒂芬·霍金在瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院介绍了他关于黑洞研究的一项最新理论。根据他的理论,物质坠入黑洞并非代表终结,信息或许能逃离黑洞,甚至进入另一空间。这一理论一经提出就引起了媒体和民众的广泛关注,国外网友甚至直呼此理论“打开了新世界的大门”。

没有人去过黑洞,但是关于黑洞的争论在物理学界却由来已久。作为黑洞理论的重要研究学者,霍金关于黑洞的每一次发言都是学界的焦点。《三体》一书获得了国际上的成功和认可,《星际穿越》也是全球热卖的电影,这些都说明,人类关于宇宙的每一次畅想、每一步探索都振奋人心,魅力无穷。

霍金的新理论主要与黑洞的“信息悖论”有关。“信息悖论”长期以来困扰着从事黑洞研究的科学家们。这一悖论的核心观点是:在大质量恒星坍缩形成黑洞时,信息包含在黑洞之中。由于黑洞不能永远存在,那么在它最终消失的时候,黑洞内部的信息也会随之消逝。然而,这却与量子物理学原理相悖。根据物理学界普遍承认的量子物理学原理,物理学家们一般认为,信息是不可能丢失的。同理,黑洞的消失应该也不会造成信息的丢失。这样一来,两个理论就产生了矛盾。对于被吸入黑洞的信息去向何方,学界困扰多时。如果这个明显的悖论得不到合理的解释,现存的一些基础的物理学原理就会崩塌。霍金教授提到,如果黑洞与量子物理学中信息守恒原则相背离,那么我们对于时间本身的认知也会分崩离析。

1.恼人的“信息悖论”

霍金的最新理论为“信息悖论”的解决提供了一个新的出口。他指出:“我认为,信息并非如此前所设想的那样存储在黑洞的内部,而是在黑洞的边界,即所谓的视界上(视界线即黑洞的边界,在此边界以内的光都无法逃离)。”

我们一般认为,光是不能从黑洞中逃脱出来的,但从理论上讲,黑洞并不是全黑的。黑洞会释放能量,这被称为“霍金辐射”。“霍金辐射”理论认为,会有一些粒子从黑洞的视界线中散射出来。根据海森堡的不确定性原理,在“真空”的宇宙中,会瞬间凭空产生一对正反虚粒子,然后瞬间消失,以符合能量守恒定律。但是在黑洞视界线周围,一些粒子很有可能在消失前就掉入黑洞,而剩下的另一个粒子就散逸出来。结合霍金的这一新理论,进入黑洞的粒子会在视界线上留下少许信息。而当这些粒子通过“霍金辐射”的方式再次从黑洞中出来时,就会将此前留在那里的少许信息再次携带出来,从而保存了信息的完整性。霍金进一步解释称:“外界进入黑洞的粒子所携带的信息被存储在事件视界内,而这些信息被‘归还’时,则是以一种混乱而无序的形式呈现。所以从现实的角度而言,这些信息的确都已经丢失了。”

很多人都觉得这种说法显得太过晦涩,因此霍金用一个生动的比喻来解释这种无用信息的归还机制。这就好比你烧掉了一本百科全书,如果你将所有的灰烬都保存在一个地方,从技术上来说,你没有损失任何信息。但是,如果你要想再用这本书的灰烬来查询一些什么东西,那将变得几乎不可能。

2.坠入黑洞里的人

霍金表示,这样的形式转变构成了外界粒子的某种全息图像——关于三维物体的信息以二维的形式被存储在了一个表面上。当辐射离开黑洞时,它就会带走部分保存在事件视界上的信息。

除了全息图像,霍金教授在本次座谈会上还提出一个让普通人更感兴趣的大胆假设,就是人类进入黑洞之后会面临怎样的处境。在此之前,人们通常认为,人类一旦掉进黑洞就仿佛陷入了“无底深渊”,无法逃脱。但是根据霍金的新理论,即便人掉进黑洞也不会凭空消失,而是有可能逃离出来。只不过,这个黑洞必须足够大才行。黑洞会不断旋转,你也很有可能会进入到另一个平行宇宙。只不过,这个平行宇宙绝不是我们现在存在的宇宙,也就是说,你永远无法真正“回家”。霍金开玩笑道:“虽然我热爱太空飞行,但我也决不会做出这样的尝试。”

其实,这个震惊众人的新理论也没有那么“新”。诺贝尔奖获得者吉拉德·霍夫特在黑洞信息悖论方面也持有与霍金类似的观点。他在此前就这一问题曾发表过多篇论文。仅就目前而言,这一新理论还需要经过更多的讨论和数学方程的计算。至于霍金的这一最新理论在霍夫特的理论基础之上具体有何种程度的新进展,霍金是否已经克服了此前他人的类似研究工作中还存在的一些难题等,这些都还有待考证。

外界还在大肆报道霍金的突破性研究理论,而对于物理学界顶级人物齐聚的这场学术会议,似乎并没有进行过多的关注。关于黑洞的理论还仅仅处于猜想阶段。放眼整场会议,霍金的新理论猜想在这场学术探讨中其实也不过是众多新思维火花中的一朵。每一个与会者参会的目的并不是劝说同行信服自己的理论,或者证明自己已经解决了黑洞研究的大问题,他们只是希望能彼此激发灵感,给予对方新的思考路径,促进整个天体物理学的发展。

3.黑洞理论学家们的头脑风暴

在这场物理学界的巅峰对决中,霍金教授的新理论并不是唯一的焦点。在一众诺贝尔奖得主之中,霍金似乎显得有些格格不入。参加这场会议的除了名声在外的霍金,还有许多在学术界内德高望重的其他学者,比如参与建立起黑洞运行基本法则的詹姆斯·巴丁、粒子研究的先锋伦纳德·帕克,还有诺贝尔奖获得者吉拉德·霍夫特。

“这一周真是让人累得筋疲力尽。”来自亚利桑那州立大学的保罗·戴维斯这样告诉聚集在一起的学生和媒体。戴维斯在过去的一周内针对与黑洞有关的一系列复杂理论与其他学者展开了激烈辩论和讨论。在对整个研究领域构建出一个一致框架前,他们还有许多工作要做。但至少,这周的讨论为新生代的物理学家提供了新的思考工具和思考方法。

本次会议由北欧理论物理研究所主办,是北卡罗莱纳大学教堂山分校的物理学家霍顿的心血结晶。作为研究黑洞问题的新生代学者代表,霍顿之前的一些研究成果已经引起了黑洞研究领域一些老专家的关注,他们还为此进行过一些激烈的电话辩论。

谈及举办本次会议的初衷,霍顿谈道:“一方面,我们很喜欢在电话里探讨关于物理学界的事情;另一方面,电话探讨远远不能满足我们互相争辩劝解的诉求。我们没有一个合适的场合进行学术辩论。”她认为,整个黑洞研究领域还是一盘散沙。从20世纪70年代起,就已经有关于黑洞的相关研究。如今包括霍顿在内的新生代研究者又为黑洞研究作出了许多新贡献。但是,这些头脑里装着新鲜思想和新鲜理论的科学家似乎与学界前辈们没有更深层次的交流。新生代学者们并没有真正将40年前的许多经典理论融入现在的研究当中。

众多物理学家坐在一个小房间里进行了为期一周的学术探讨。这里之前是瑞典皇家理工学院的一座教堂,基督像放置在镀金的幕布后。坐在这里,新鲜理论的喷涌很难让人觉得这个会议场所是如此陈旧。戴维斯开玩笑称,这场马拉松式的学术探讨耗尽了他全部的精力,以至于他完全没有兴趣再在这一领域研究下去了。当然,为黑洞研究构建基础框架的一些天才物理学家也很难继续保持未来在黑洞研究领域的主导地位了。

事实上,虽然外界为霍金的新理论惊叹,但是直至会议快要结束时,学界仍然为“信息悖论”本身是不是个悖论而争执不休。但是,没有定论并不代表这场辩论毫无意义。霍金告诉媒体:“我为能参与到本次为期一周的密集性讨论会议中而深感荣幸。我和我的老友与同事很久都没有体会到思想碰撞带来的喜悦了。”

会议的结束意味着新研究的开始。在接下来的几年里,研究者将用巨型阵列无线电天文望远镜第一次直接观测一个位于银河系中心的黑洞。很可能人类还要再花40年的时间,才能对黑洞运行形成一套真正可被证实的理论知识。在那之前,学界还将进行持续不断的争论。不论是以何种方式进行,关于未知的探索都永不停步。

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