斯蒂芬·霍金:“不存在黑洞”

霍金说,“事件视界”的概念——没有任何东西可以从中逃脱——与量子理论不相容

大多数物理学家如果胆大妄为地撰写一篇论文,声称“不存在黑洞”——至少不是我们通常想象的那种意义上的黑洞——可能会被视为疯子而被驳回。但是,当重新定义这些宇宙粉碎机的呼吁来自斯蒂芬·霍金时,就值得关注了。在网上发布的一篇论文中,这位在英国剑桥大学的物理学家,也是现代黑洞理论的创始人之一,摒弃了事件视界的概念,即被认为笼罩着每个黑洞的无形边界,超过这个边界,任何东西,甚至光都无法逃脱。

霍金的激进提议是取而代之的是一个更为良性的“视在视界”,它只会暂时囚禁物质和能量,然后最终释放它们,尽管是以一种更为混乱的形式。

霍金告诉自然杂志说:“在经典理论中,黑洞是无法逃脱的。” 然而,量子理论“使能量和信息能够从黑洞中逃脱”。这位物理学家承认,对这一过程的完整解释将需要一种成功地将引力与自然界其他基本力结合起来的理论。但这正是物理学家们近一个世纪以来一直未能实现的目标。“正确的处理方法,”霍金说,“仍然是一个谜。”


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霍金于1月22日在arXiv预印本服务器上发布了他的论文。他异想天开地将其命名为《黑洞的信息保存和天气预报》,但尚未通过同行评审。该论文是基于他在2013年8月在加利福尼亚州圣巴巴拉的卡夫利理论物理研究所的一次会议上通过Skype发表的演讲(观看演讲视频)。

消防
霍金的新工作试图解决被称为黑洞防火墙悖论的问题,这个问题在理论物理学家约瑟夫·波尔钦斯基和他的同事(参见“天体物理学:洞中有火!”)发现后,已经困扰了物理学家近两年。

在一个思想实验中,研究人员询问了一个不幸落入黑洞的宇航员会发生什么。事件视界是爱因斯坦广义相对论的数学上简单的结果,德国天文学家卡尔·史瓦西在他写给爱因斯坦的一封信中首次指出,那是1915年末,在广义相对论发表不到一个月后。在那种景象中,物理学家长期以来一直认为,宇航员会愉快地穿过事件视界,没有意识到他或她即将到来的厄运,然后逐渐被向内拉扯——沿途像意大利面一样拉长——并最终在“奇点”处被压碎,即黑洞假设的无限致密的核心。

但是,在详细分析情况后,波尔钦斯基的团队得出了一个惊人的认识,即支配小尺度粒子的量子力学定律完全改变了情况。他们说,量子理论规定事件视界实际上必须转变成一个高能量区域,或“防火墙”,会将宇航员烧成灰烬。

这令人震惊,因为尽管防火墙遵守量子规则,但它却公然违反了爱因斯坦的广义相对论。根据该理论,自由落体的人应该认为物理定律在宇宙中的任何地方都是相同的——无论他们是落入黑洞还是漂浮在空旷的星系际空间中。就爱因斯坦而言,事件视界应该是一个平淡无奇的地方。

超越视界
现在,霍金提出了第三种,令人兴奋的简单选择。量子力学和广义相对论仍然完好无损,但黑洞根本没有事件视界来着火。他的主张的关键是,黑洞周围的量子效应导致时空波动过于剧烈,以至于无法存在清晰的边界表面。

霍金用“视在视界”代替了事件视界,视在视界是一个表面,沿着这个表面,试图逃离黑洞核心的光线将被暂停。在广义相对论中,对于一个不变的黑洞,这两个视界是相同的,因为试图从黑洞内部逃逸的光线只能到达事件视界,并将被保持在那里,就像卡在跑步机上一样。然而,原则上,这两个视界是可以区分的。如果更多的物质被黑洞吞噬,它的事件视界将会膨胀,并且比视在视界更大。

相反,在20世纪70年代,霍金还表明,黑洞可以缓慢收缩,喷射出“霍金辐射”。在这种情况下,理论上,事件视界将变得比视在视界更小。霍金的新建议是,视在视界才是真正的边界。“事件视界的缺失意味着不存在黑洞——从光线无法逃逸到无限远的区域的意义上来说,”霍金写道。

加拿大埃德蒙顿阿尔伯塔大学的物理学家和黑洞专家唐·佩奇说,“霍金给出的图景听起来是合理的”,他在20世纪70年代曾与霍金合作。“你可以说,提出没有事件视界是很激进的。但这些都是高度量子条件,对于时空甚至是什么都存在歧义,更不用说是否存在可以标记为事件视界的明确区域了。”

尽管佩奇接受了霍金关于黑洞可能在没有事件视界的情况下存在的提议,但他质疑这是否足以解决防火墙悖论。他警告说,即使是短暂的视在视界的存在,也很可能引起与事件视界相同的问题。

与事件视界不同,视在视界最终可能会消解。佩奇指出,霍金正在打开一个极端情景的大门,“原则上,任何东西都可以从黑洞中逃脱”。尽管霍金在他的论文中没有具体说明视在视界将如何消失,但佩奇推测,当它缩小到一定尺寸时,量子力学和引力的影响结合在一起,它很可能消失。届时,曾经被困在黑洞中的任何东西都将被释放(尽管状态不佳)。

如果霍金是正确的,黑洞核心甚至可能没有奇点。相反,物质只会暂时被滞留在视在视界之后,视在视界会因黑洞的引力而逐渐向内移动,但永远不会完全坍缩到中心。关于这种物质的信息不会被破坏,但会被高度搅乱,因此,当它通过霍金辐射释放出来时,它将以一种截然不同的形式存在,几乎不可能弄清楚被吞噬的物体曾经是什么。

佩奇说:“这比试图从你烧毁的书的灰烬中重建这本书还要糟糕。” 在他的论文中,霍金将其比作试图提前预测天气:理论上是可能的,但在实践中很难做到非常准确。

然而,波尔钦斯基对没有事件视界的黑洞可能在自然界中存在持怀疑态度。他说,抹去事件视界所需的剧烈波动在宇宙中太罕见了。“在爱因斯坦的引力中,黑洞视界与空间的任何其他部分没有太大区别,”波尔钦斯基说。“我们从未在我们的邻域看到时空波动:它在大尺度上太罕见了。”

加州大学伯克利分校的理论物理学家,也是霍金的前学生拉斐尔·布索说,霍金的最新贡献突显了物理学家对防火墙潜在存在的“厌恶”。然而,他对霍金的解决方案也持谨慎态度。“没有无法逃脱黑洞的点子的想法在某些方面比防火墙的存在更激进和更有问题,”他说。“但是,我们在霍金关于黑洞和信息的首批论文发表40年后仍在讨论这些问题,这证明了它们的巨大意义。”

本文经《自然》杂志许可转载。这篇文章于2014年1月24日首次发表

Zeeya Merali 是一位居住在伦敦的自由撰稿人,也是《小房间里的大爆炸》(Basic Books,2017年)的作者。

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