* 事件视界望远镜拍摄的第一张黑洞照片——M87星系中心黑洞
我们仍然不知道黑洞死亡时会发生什么。
自从史蒂芬·霍金发现黑洞会“蒸发”,我们就知道它们可能会从宇宙中消失。但人类目前对引力和量子力学的理解还不足以描述黑洞生命的最后时刻。
霍金辐射的重要性
严格地说,黑洞并不是完全黑的。在纯广义相对论中,没有其他物理意义上的考量,它们永远是黑色的。一旦形成,它就会一直留在宇宙中,永远成为黑洞。但在20世纪70年代,霍金使用量子力学的语言来探索黑洞边界附近发生的事情,也就是所谓的“视界”。
他惊奇地发现,我们宇宙的量子场和视界的单向势垒之间有一种奇怪的相互作用,为能量提供了一条逃离黑洞的途径。这种能量以一种缓慢但稳定的辐射和粒子流的形式出现,后来被称为“霍金辐射粒子流”。随着每一点能量的逃逸,黑洞会失去质量,从而缩小,最终完全消失。
霍金辐射的提出造成了所谓的黑洞信息悖论。所有关于坠入黑洞的物质的信息都穿过视界,再也看不见。但是霍金辐射本身并不携带任何信息,然而黑洞最终还是消失了。那么所有的信息都去哪了呢?
* 美国甚大阵列望远镜拍摄的天鹅座A的图像,它是银河系外天空中最亮的射电源
超越爱因斯坦
对物理学家来说,黑洞信息悖论是一个巨大的闪烁的霓虹灯,表明我们还没有理解某些东西。这可能是因为我们不了解量子信息的本质、引力的本质或视界的本质——或者三者都不了解。解决黑洞信息悖论的最简单的方法就是发展一种新的引力理论,超越爱因斯坦的广义相对论。
毕竟,我们已经知道,广义相对论在黑洞的中心会崩溃,黑洞是时空中被称为“奇点”的存在,在那里密度趋于无穷大。正确描述奇点的唯一方法是通过量子引力理论,它正确地预测了强引力在极其微小的尺度上的表现。
不幸的是,我们目前对量子引力理论还不够完善。直接观察奇点当然很好,但根据广义相对论的理解,所有奇点都被锁在视界后面,我们无法接触到它们。
但通过研究霍金辐射的过程,我们或许能找到一条接近奇点的捷径,并了解那里发生的令人震惊的物理现象。当黑洞“蒸发”时,它们会变得越来越小,它们的视界会不断地靠近中心奇点。在黑洞生命的最后时刻,引力变得足够大,而黑洞变得足够小,我们将无法用现有的知识来正确描述它们。所以,如果我们能发展出一个更好的引力理论,我们就能利用霍金辐射的来验证这个理论。
量子引力理论目前有很多“备选方案”,而弦理论则是其中最受推崇的。尽管弦理论没有已知的解法,但我们有可能利用我们所知道的弦理论的一般特征,并利用它来对广义相对论作出修正。
* 黑洞(想象图)
(科幻世界 独家编译)
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