2014-01-27

霍金:「黑洞不存在」

Stephen Hawking: 'There are no black holes'
http://www.nature.com/news/stephen-hawking-there-are-no-black-holes-1.14583

物理學家宣稱,「沒有任何東西能從事相面(event horizon)逃脫」這個想法,與量子理論並不相容。

By Zeeya Merali, 24 January 2014
Nature (doi:10.1038/nature.2014.14583)

絕大部分的物理學家,如果把心一橫,寫了一篇論文宣稱「黑洞並不存在」 -- 至少不是就我們一般所想像的 -- 很可能會被斥為「怪咖(cranks)」。但是當這個重新定義這些宇宙論點的聲音來自霍金(Stephen Hawking)時,那就值得關注了。在線上一篇論文裡,這位物理學家(位於英國劍橋大學,現代黑洞理論的創造者之一)屏棄了「事相面」的概念。這個看不見的邊界,被認為裹住了每個黑洞,任何東西,甚至是光,都無法逃出。

取而代之地,霍金的激進提議是一個更加和藹可親的「視相面(apparent horizon)」,最終將物質與能量釋放之前,那只會暫時滯留這些「俘虜」,儘管是以一種更加混亂的(garbled)形態。

"在古典理論中,沒有東西能從黑洞逃出來," 霍金表示。然而,量子理論卻「能使能量與資訊從黑洞逃離」。物理學家承認,此一過程的完整解釋需要一個理論,能成功地將引力與自然界中其他的基本力合併。但這個目標已經困惑物理學家將近一個世紀了。霍金表示:「正確的對待,仍是個謎」。

霍金於一月 22 日在 arXiv 預印服務上貼出他的論文(http://arxiv.org/abs/1401.5761)。他異想天開地將之命名為「Information preservation and weather forecasting for black holes(黑洞的資訊留存與天氣預測)」,而且那尚未通過同儕審核。這篇論文是根據他在 2013 年八月透過 Skype 在加州聖塔芭芭拉 Kavli 理論物理學研究所的一場會議上所進行的演說(觀看這場視訊演說:http://online.kitp.ucsb.edu/online/fuzzorfire_m13/hawking/


開火

霍金的新研究是一種嘗試,試圖要解決所謂的「黑洞防火牆悖論(black-hole firewall paradox)」,那使物理學家煩惱了近乎二年。這個悖論由 Kavli 研究所的理論物理學家 Joseph Polchinski 及其同僚所發現(參見:「Astrophysics: Fire in the hole!」,http://www.nature.com/news/astrophysics-fire-in-the-hole-1.12726)。

在一個思想實驗中,研究者問:如果一個不夠幸運的太空人落入一個黑洞時,將會發生什麼事?事相面是愛因斯坦廣義相對論在數學上的簡單結果,那率先由德國天文學家 Karl Schwarzschild 於 1915 年末在寫給愛因斯坦的一封信中指出(http://alberteinstein.info/vufind1/Record/EAR000006266)。這時離廣義相對論發表後還不滿一個月。在那幅景象中,物理學家長久以來都假設,這位太空人漸漸被往內拉之前,將愉快地通過事相面,察覺不到近逼他或她的毀滅 -- 一路上像義大利麵條那樣被拉長 -- 最終撞上奇異點(singularity),黑洞在理論上密度無限大的核心。

不過詳細分析此等狀況之後,Polchinski 的團隊愕然領悟到,量子力學的定律(那主宰小尺度的粒子)使情況完全改觀。他們說,量子理論指出,事相面事實上會被轉換成一個高能區域,或稱「防火牆(firewall)」,那會把太空人燒個精光。

這使人驚恐,雖然「防火牆」遵循量子法則,不過它卻蔑視愛因斯坦的廣義相對論。根據該理論,某人在自由墜落時應當察覺在宇宙中的每一處物理定律應該都一樣 -- 不管他們正墜入一個黑洞或是漂浮在虛無的星系空間。正如愛因斯坦所關注的,事相面應當是一個不起眼的地方。


眼界之外

現在霍金提出第三種選擇,那令人擔心的簡單。量子力學與廣義相對論依然原封不動,不過黑洞只差沒有所謂的事相面可以「惹火」。其主張的關鍵是,黑洞周遭的量子效應導致時空的波動太過瘋狂,以至於一個有形的邊界表面無法存在。

在事相面所在之處,霍金引用了「視相面(apparent horizon)」,在那表面上試圖要逃離黑洞核心的光線將會被中止(suspended)。在廣義相對論中,對於一個不會變化的黑洞而言,這二種相面(horizon,視界)是一模一樣的,因為試圖從黑洞內部脫離的光線只能到達事相面,而且將會被留在那裡,彷彿黏在踏步機(treadmill)上。然而,在原則上,這二種相面可以被辨別。如果更多物質被黑洞吞噬,其「事相面」將會膨脹,且變得比「視相面」大。

相反的是,在 1970 年代,霍金也證明黑洞能緩慢縮小,噴出「霍金輻射(Hawking radiation)」。在那個例子中,理論上,事相面將變得比視相面小。霍金的新提議是,視相面是「真正的邊界」。"「事相面」的不存在意味著那裡並沒有「黑洞」 -- 就物理條件(regimes)而言,在那裡的光無法逃向無限大," 霍金寫道。

"霍金所給的這幅景象聽起來很合理," Don Page 說,加拿大 Edmonton, Alberta 大學的物理學家與黑洞專家,他曾在 1970 年代與霍金合作。"你或許會說:提出事相面不存在太過激進了。但這些是高度的量子狀態,而且那裡就連「時空」是什麼都有點含糊不清,更不用說那裡是否有個明確的區域可以被當作是一個事相面。"

雖然 Page 接受霍金的提議:「沒有事相面,黑洞依然能夠存在」,不過他質疑,光憑那一點是否就足以通過防火強悖論。他告誡,即使一個更短命的「視相面」的存在,也都會引發與事相面一樣的問題。

不像事相面,「視相面」最終能夠分解(dissolve)。Page 提到,霍金把門開向一個非常極端的情節,"原則上任何東西都能離開黑洞"。雖然霍金在其論文中並沒有特別指出視相面會如何消失,不過 Page 懷疑,當它縮水到一定尺寸,在那裡量子力學與重力的效應同時結合,若說視相面會消失,看似有理。在那一點,任何東西一旦陷入黑洞,都將會被釋放(雖然外形不再完整無缺)。

如果霍金是正確的,在黑洞的核心甚至連奇異點都沒有。相反地,物質只會暫時被滯留在視相面中,由於黑洞的拉力,那會漸漸地向內移動,但絕不會撞上中心。關於此物質的資訊不會被摧毀,但將會高度雜亂,所以當它透過霍金輻射釋出時,其樣貌將會大大改變,使得它幾乎不可能恢復成原本被吞噬的物體。

"如果你把一本書燒成灰,那可能會比從一堆書的灰燼中重建一本書還要更加糟糕," Page 說。在霍金的論文中,他將之與事先預測天氣相比:在理論上,那是可能的,不過在實際上,要非常準確地辦到會很困難。

然而,Polchinski 則懷疑,如果一個黑洞沒有事相面,還能夠存在於自然中?要消除它的那種等級的激烈波動,在宇宙中太罕見了,他說。"在愛因斯坦的引力中,黑洞視界與宇宙其他部份並沒有這麼不同," Polchinski 說。"我們不曾在我們的鄰近區域中看見時空波動:在大尺度下,那太稀有了。"

Raphael Bousso(UCB 一位理論物理學家,霍金以前的學生)表示,這個最新貢獻強調,發現防火牆可能存在的物理學家有多「壞(abhorrent)」。不過,他也對於霍金的解答提出警告。"黑洞沒無法讓你逃離的點。在某些方面,甚至是一個比防火牆的存在更加激進與充滿問題的提議," 他說。"但事實上,在霍金第一篇關於黑洞與資訊的論文提出 40 年後,我們仍在討論這些問題,是其意義非凡的明證。"

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1 則留言:

fsj 提到...

Yes, Virginia, Black Holes Exist!
https://medium.com/starts-with-a-bang/df0a131d7b95

知名天體物理學家對於霍金的說法發表了他的看法。