冰冻的恒星

黑洞可能并非无底洞

摧毁恒星,为高能辐射爆发提供能量,撕裂时空结构:不难看出黑洞的吸引力。它们点亮了大脑中与巨型卡车和战斗机器人相同的部分。它们解释了其他天体无法解释的剧烈天体现象。事实上,它们是如此极端,以至于没有人真正知道它们是什么。

大多数研究人员认为它们是微小的针孔,是恒星在自身重力下坍缩后的残余物。但过去几年,一些特立独行的人提出,黑洞实际上是扩展的物体,由一种奇异的物质状态组成,这种物质在坍缩过程中像液体变成冰一样凝结。这个想法为思考量子引力提供了一种发人深省的方式,量子引力将统一爱因斯坦的广义相对论和量子力学。

在教科书的描述中,针孔(或奇点)被事件视界所包围。视界不是一个物理表面,而仅仅是一个概念上的表面,尽管它标志着物质坠向奇点的有去无回点,但相对论认为那里没有什么特别的事情发生;物理定律在任何地方都是相同的。然而,对于量子力学来说,事件视界是非常矛盾的。它允许信息从我们的世界中丢失,这是量子理论所禁止的。“你在学校学到的东西几乎肯定是错误的,因为经典的黑洞时空与量子力学是不一致的,”劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家乔治·查普林说。


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关于黑洞的新概念完全消除了事件视界。基本观点是,事实上,确实存在一种力可以在其他一切都失败的情况下阻止恒星的坍缩。这种力就是引力本身。在具有某些特性的物质中,引力从吸引力转变为排斥力。这种被称为“暗能量”的物质被认为是驱动宇宙加速膨胀的原因。

去年,南卡罗来纳大学的物理学家帕维尔·O·马祖尔和洛斯阿拉莫斯国家实验室的埃米尔·莫托拉推断,在恒星坍缩过程中,这种物质可能会像冰晶一样冻结出来。他们称之为引力星的结果看起来像油炸冰淇淋:一个由致密但普通物质组成的硬壳,由一个奇特的内部结构稳定。这个硬壳取代了原本的事件视界。

另一个提议更进一步。它不仅推测暗能量会冻结出来,而且相对论也会完全失效。这个想法来自量子引力的一个冷门竞争者,其支持者被物理基本定律与流体和固体(也称为凝聚态物质)的行为之间的相似性所震惊。在许多方面,声波在移动流体中传播的方程与广义相对论非常相似;声波可以像光被困在黑洞中一样被困在流体中。也许时空实际上是一种流体。

这种方法如此有趣的原因在于凝聚态物质的行为是集体性的。单个分子的细节几乎无关紧要;系统的属性是从聚集的行为中产生的。当水结冰时,分子不会改变,但集体行为会改变,并且适用于液体的定律不再适用。在合适的条件下,流体可以变成超流体,即使在宏观尺度上也受量子力学支配。查普林与斯坦福大学的物理学家埃文·霍尔费尔德、罗伯特·B·劳克林和大卫·I·圣地亚哥一起提出,在事件视界也发生了类似的过程。相对论方程失效,新的定律出现。“如果把时空看作是一种超流体,那么在事件视界确实会发生一些物理的事情——也就是说,经典的事件视界被量子相变所取代,这是非常自然的,”查普林说。

目前,这些想法仅仅是信封背面的草草涂鸦,批评者对它们的合理性提出了无数的抱怨。例如,在恒星坍缩过程中,物质或时空究竟是如何改变状态的?麻省理工学院的物理学家斯科特·A·休斯说,“我不明白像一颗大质量恒星这样的物体——由普通流体组成,具有相当简单的密度和压力关系的物体——如何能够转变为像引力星那样具有奇异结构的物体。”量子引力的主流理论发展得更好。例如,弦理论似乎在不放弃事件视界或相对论的情况下解释了黑洞的悖论。

从观测角度来看,黑洞的新概念可能很难与经典的描述区分开来——但并非不可能。引力波应该揭示假定黑洞周围时空的形状。一个经典的黑洞,作为一个没有真实表面的简单物体,只有几种可能的形状。如果现在正在运行的引力波观测站之一发现不同的形状,那么当前的物理学理论将成为宇宙中又一个被黑洞撕成碎片的东西?

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