一場關于黑洞科學的賭局:霍金會勝出嗎

作者:一一奇聞 目錄:科學探索  時間:2020-07-10 

     黑洞是現代廣義相對論中,宇宙空間內存在的一種密度無限大,體積無限小的天體,所有的物理定理遇到黑洞都會失效。任何物質和輻射在進入到黑洞的一個事件視界內,便在無法逃脫,甚至目前光速也沒有用。

  2012年3月,約瑟夫·波爾金斯基(Joseph Polchinski)開始琢磨一種自殺的過程——當然是從數學的角度去考慮。波爾金斯基是美國加利福尼亞大學圣巴巴拉分校科維里理論物理研究所的弦論物理學家,他正在思考,如果一個宇航員掉入黑洞會發生什么。顯然,他會死,可是死于何因呢?

  按照以前的解釋,起初他不會有任何特別的感覺,甚至在他下落,并穿過任何事物都無法逃脫的無形疆界——黑洞的事件視界 (event horizon)時也是如此。但隨后,在幾小時、幾天,甚至幾周(只要黑洞足夠大)后,他會感到腳部受到的引力比頭部的大。他繼續墜落,被無情地帶向黑洞深處,巨大引力差把他的身體撕成了碎片。最終,他的遺骸將落到密度無窮大的黑洞核心。

  但是波爾金斯基的計算表明,真實的情形不是這樣。參與計算的還有他的兩名學生艾哈邁德·阿爾姆海里(Ahmed Almheiri)和詹姆斯·薩利(James Sully),以及他的同行、加利福尼亞大學圣巴巴拉分校的弦論物理學家唐納德·馬羅爾夫(Donald Marolf)。在他們的結果中,量子效應會把黑洞的事件視界變成一個由炙熱粒子流形成的漩渦PLV。任何落進黑洞視界的人都會遇到一堵火墻,立刻被燒成焦土。

  2012年7月,他們將這一結果發表,驚了物理學界。因為這違背了愛因斯坦早在一個世紀前提出的、作為廣義相對論基礎的基本物理原理——等效原理(equivalence principle)。等效原理認為,在引力作用下,下落的觀測者看到的現象,和飄在什么都沒有的空間中的觀測者看到的現象完全一樣,即使是在黑洞內部這樣的強引力場也是如此。沒有這一基本原理,愛因斯坦的理論框架就會坍塌q.i.-.w.e.n.c.o.m。

  波爾金斯基和合作者深知這一結果意味著什么,于是他們給出另一個可能的結果,即火墻無法形成。但是,這個方案同樣需要付出“高昂的代價”,即物理學家必須拋棄物理學的另一個重要支柱——量子力學。可是,量子力學在描述亞原子粒子相互作用的理論中占絕對的統治地位。

  波爾金斯基的這個結果引發了一系列關于火墻的討論和大量相關研究論文。所有的論文都使盡渾身解數,力圖擺脫上述僵局,但沒有一篇能夠令所有人滿意。加利福尼亞大學圣巴巴拉分校的一名量子物理學家斯蒂夫·吉丁斯(Steve Giddings)認為,當前“需要革命性的理論來解決物理學基礎面臨的危機”。

  受這個問題的困擾,黑洞方面的專家于2013年4月在瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心(CERN)聚集一堂,以期面對面地解決這個問題。他們希望找到通往“量子引力”的統一理論。這個統一理論能夠將自然界中的所有基本力統一起來,是物理學家幾十年一直夢寐以求的理論。

  加利福尼亞大學伯克利分校的弦論物理學家拉斐爾·布索(Raphael Bousso)在此次大會的報告中這樣開場:火墻的觀點“動搖了大多數人相信的黑洞理論基礎。它從根本上指出,量子力學和廣義相對論的矛盾,卻沒有為我們指出下一步該往哪個方向走”。

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  霍金的賭局

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