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對黑洞的新猜想:吞噬的物質未來可能會被重新拋出
發布時間:2020-02-18     作者:   來源:新浪科技   分享到:

黑洞是宇宙中最神秘的事物之一,它們所處的時空結構扭曲得如此厲害,以至于光線都無法逃脫。根據愛因斯坦的廣義相對論,黑洞中心存在一個奇點,在那里,許多恒星的質量被擠壓到了體積接近于0的地方。然而,發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)和《物理評論D》(Physical Review D)的兩篇論文可能會讓科學家重新思考我們對黑洞的認知。研究人員在論文中指出,黑洞可能不會永遠存在,我們對它們的本質及其中心的猜測可能是完全錯誤的。

愛因斯坦物理學的邊界

長期以來,一直都有天文學家和物理學家認為奇點的觀點是錯誤的。如果一個物體具有質量但沒有提及,那它就具有無限大的密度。而且,盡管研究者時不時會提到“無限”(infinity)這個詞,但類似的無限在自然界中是不存在的。相反地,當你在真實的物理學問題中遇到“無窮大”或“無限大”時,它真正的含義是你已經把數學方法推到了它們的應用領域之外。你需要新的數學。

這樣的例子并不少見。牛頓的引力定律指出,引力的大小與質量乘積成正比,與距離的平方成反比。因此,如果你拿著一個球遠離地球,那它就會“感受”到一定的重量;然后,當你把球靠近地球,這一重量就會逐漸增加。把引力定律的方程推到極限,即隨著你把球無限靠近地球中心,那理論上它就會受到無限大的引力。然而,事實上并非如此。

當你把物體靠近地球表面時,牛頓的引力定律就不再適用。你必須考慮地球質量的實際分布,而這意味著你需要采用多個更加復雜的方程來預測不同的結果。類似的,當愛因斯坦的廣義相對論預測在黑洞中心存在一個密度無限大的奇點時,真實情況就不可能是這樣。在非常小的尺度上,科學家需要引入新的引力理論,這一理論就是所謂的“量子引力”。

簡單來說,量子引力的含義就是“在最小尺度上的引力”,但這一術語并不代表某個特定的理論。不過,科學家已經提出了一些特定的理論建議,描述微觀宇宙中的引力作用。其中一個建議稱為“圈量子引力論”(loop quantum gravity)。

圈量子引力在數學上已經有了明確定義,它將時空結構描述為自旋網絡的晶格,隨著時間推移而演化。自旋網絡只是一個描述粒子和場如何相互作用的數學公式。從更實際的角度來看,圈量子引力論預測時空是量子化的,可能存在一個最小的時間或空間單元,使時空結構無法再細分下去。

奇點還是白洞?

圈量子引力論是一個很難處理的數學理論,它阻止了研究者對黑洞內部做出可測試的預測。然而,賓夕法尼亞州立大學的阿貝·阿什克塔(Abhay Ashtekar)和哈韋爾·奧爾梅多(Javier Olmedo),以及路易斯安那州立大學的帕姆普利特·辛格(Parampreet Singh)將圈量子引力論應用在了黑洞中心。他們宣稱,結果表明那里不是奇點。

他們的計算預測稱,時空在黑洞中心附近強烈彎曲;由此導致的結果是,時空會在未來進入一個有著“白洞”結構的區域。所謂的“白洞”就像反向的黑洞,它不像黑洞那樣會吞噬物質,而是將物質拋射出來。

我們或許還可以用另一種方式來想象他們的預測結果。眾所周知,在強大的引力場里,時間會減慢;而黑洞就擁有宇宙中最強大的引力場。因此,我們可以這么來解釋這項新研究,即物質進入黑洞之后又被“彈回”,其質量被拋射到宇宙之中。由于黑洞中心附近的時間如此緩慢,這一“彈回”過程需要大量的時間。如果研究人員是對的,那么在遙遠的未來,科學家或許能發現在今天黑洞所處的位置,物質將不斷噴涌而出,散布到宇宙各處。

當然,在理論科學中,研究者們提出了太多有趣且吸引眼球的觀點,但后來都被事實否定了。這項新工作也可能如此。重要的是,是否能為諸如此類的理論觀點找到實驗性的支持。

可能性還是有的,盡管很少。科學家已經在太空中觀測到了一些非常高能的現象,但尚未對其做出完全的解釋。一種現象是沖擊地球大氣層的高能宇宙射線,另一種現象則是所謂的“快速射電暴”(fast radio burst)。快速射電暴也是一種高能天體物理現象,是指遙遠宇宙中突然出現的短暫而猛烈的無線電波暴發,持續時間極短。這兩種現象至少在原理上可能成為黑洞轉變成白洞的標志。

現在接受這一有趣的新觀點顯然還為時尚早,相反,謹慎的做法應該是看看加下來應用圈量子引力的計算是如何展開的。如果預測結果有所改進,并且開始更適用于一些不能解釋的天文現象,那么新的結果就既能解釋量子引力發揮作用的原理,而且能重塑我們對宇宙過去和未來的理解。


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