在黑洞的邊界,相對論與量子力學相互矛盾,相對論可能需「修正」

天空之城 2020/12/13 檢舉 我要評論

105年前,阿爾伯特·愛因斯坦正式發表了他的巔峰理論——廣義相對論,給人類物理學帶來了顛覆性的認知。

直到今天,廣義相對論仍然是物理學的一座高峰,需要大量的物理學基礎和深厚的數學功底才能夠掌握。而另一方面,正是因為有了廣義相對論,我們也可以相對容易一點地去理解宇宙中最神秘的天體——黑洞。

無毛的黑洞

乍一看,黑洞確實是非常神秘。它擁有著無限大的密度,引力強到連光都無法逃脫。因此,在視界范圍和奇點之內到底會發生什麼,始終是困擾科學家的最大謎題。

而另一方面,一個穩定的黑洞,只需要三個物理量就可以來描述,那就是質量、角動量(也就是它的自轉)以及電荷。

與此同時,一個黑洞所能攜帶的電荷是非常有限的,不可能非常大。因此,在很大程度上來講,僅僅通過質量和角動量就能描述一個黑洞。換句話說,只要探測到一個黑洞的質量和自轉速度,那麼就可以知道它的其他性質。

這個理論,在1973年被霍金等人嚴格證明,那就是著名的「黑洞無毛定理」。根據這個理論,任何物質在被吞噬到黑洞內部之後,它的所有性質都會消失,只留下質量、角動量和電荷這三個無法變為電磁輻射的守恆量。

簡單地做一個比喻,不論是一個60公斤的人,還是60公斤的棉花,抑或是沒有經過分類的60公斤垃圾,如果轉變為黑洞或者說被黑洞吞噬,那麼它們就完全是一樣的了(假設都不帶電也不自轉)。

我們知道,黑洞的質量決定了它的引力范圍,也就是它能夠吞噬多遠處的光線。在某個范圍內,不論是任何方向的光線,都會被黑洞吞噬。這個范圍取決於黑洞的質量,並且已經由德國天體物理學家卡爾·史瓦西進行過完整的論證,這就就是黑洞的視界半徑,黑洞的視界范圍與周圍空間的交界處就是所謂的事件視界。

根據廣義相對論的分析,黑洞的事件視界是完全平滑的,沒有其他額外的性質。正是因為這個特點,所以黑洞才被稱為是「無毛」的。

量子力學的挑戰

這個理論雖然在廣義相對論領域已經被廣為接受,並且看起來牢不可破,但是在量子力學面前卻遭遇到了嚴重的挑戰。二者本來就在一些問題上相互矛盾,尤其在解釋黑洞的一些問題上,更是出現了劇烈的衝突。

根據廣義相對論,任何進入到黑洞的資訊都不可能逃逸出來,當物質穿越事件視界後,它所攜帶的資訊都將消失,只留下剛才提到的三種內容融入黑洞;而從量子力學的角度來思考這個問題的話,情況就不一樣了,根據量子力學的理論,即使是黑洞,也允許一些能量和資訊逃逸出來。

這就是科學家們面臨的困境,也就是著名的黑洞防火牆悖論。

廣義相對論的修正

多年以來,科學家們一直試圖調和這個矛盾,但是都沒有成功。本質上說,這是相對論和量子力學的矛盾,或者說我們還沒有找到大統一的萬有理論。為此,霍金甚至提出了灰洞的說法,表明完全只進不出的黑洞是不存在的。

也有人提出了自己的看法,來試圖解決這個悖論。比較常見的,就是對廣義相對論的修正。不過這裡有一個問題,那就是修正的廣義相對論和愛因斯坦的廣義相對論之間差別非常細微,必須在非常非常極端的事件中才能夠發現。因此,儘管他們說得頭頭是道,我們也無法證實。

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