落入黑洞會發生什麼事?你死了但同時你活著

黑洞

大質量天體會導致時空的扭曲

在黑洞中,時空的扭曲程度到達極點

黑洞導致光線傳播路徑的極大扭曲,形成類似「透鏡」的效果

半人馬射電源A(Centaurus A)可能是一個位於我們銀河系中央的大型黑洞

你有沒有偶爾出現過這樣的念頭:如果你掉進一個黑洞會發生什麼?

你可能會認為自己大概會被壓碎,或者撕成碎片。但現實可能比你設想的更加詭異。在你落入黑洞的一瞬間,現實將會被一分為二。在其中一種場景中,你將瞬間化為灰燼,而在另一種場景下,你幾乎毫髮無損,並且這兩種情形可能都是真實的。

黑洞是什麼?

黑洞是一類詭異之地,在這裡我們所熟知的物理定律不再有效。愛因斯坦指出,黑洞的引力會彎曲時空,造成時空本身發生扭曲。因此如果有一個密度足夠高的物體, 時空將發生嚴重扭曲,以至於在這個物體周圍的現實時空之中形成一個類似凹陷的區域,這就是黑洞。當一顆大質量恆星耗盡其燃料之後發生爆炸塌縮,這一過程將 足以產生這樣奇異的超級緻密天體。當超大質量恆星的死亡核心在自身質量作用下不斷收縮,它周圍的時空隨之扭曲。它的引力開始變得如此之強,以至於光線也無法逃離它的掌控:在這顆恆星原先所在的位置上,一個新的黑洞出現了。

黑洞最外層的是它的事件邊界,也就是光線恰好開始無法逃離的引力範圍邊界。在這一區域之外,光線還可以逃離,而一旦越過這一邊界,任何逃離的努力都將是徒勞 的。事件邊界蘊含著巨大的能量。此處的量子效應會產生強大的高溫粒子流並向外輻射,這就是所謂的「霍金輻射」。這是以英國著名天體物理學家霍金教授的名字 命名的,因為是他最先預言了這種輻射效應的存在。只要給予足夠的時間,這種霍金輻射將最終耗盡黑洞的所有質量並導致黑洞的最終消亡。

隨著你逐漸深入黑洞,時空變得更加扭曲,直到抵達黑洞的核心——在這裡,時空的扭曲達到無限程度,這就是「奇點」。在這裡空間和時間不再有意義,我們所熟知的,基於時間與空間概念的物理學定律也將全部失效。

那麼在這裡究竟將發生什麼?另一個宇宙?混沌?或是通往小時候書架的後面?沒有人知道答案。

落入黑洞時會發生什麼——你死了,但同時你活著

那麼如果有一天你真的不幸落入其中一個黑洞之中,將會發生什麼?首先我們假想你擁有一個名叫「安妮」(Anne)的同伴。你正朝著黑洞落去,而她仍然處於安全的距離外驚恐萬分地觀察著眼前的景象。從此刻開始,她將目睹一系列奇異現象。

隨著你朝著黑洞的事件邊界不斷加速下落。安妮將會看到你的身體逐漸被拉長並扭曲,就像透過一個放大鏡觀察你的感覺。並且隨著你越來越接近事件邊界,安妮會發現你的移動速度似乎變得越來越慢,就像在看慢動作鏡頭。

你沒有辦法向她呼喊,因為空間裡沒有空氣,但你想到用自己的iphone手機,利用閃光的方式向安妮發送一段摩爾斯電碼(真的有一個這樣的app)。然而你發出的信號向外傳遞的速度同樣非常緩慢,光線的波長已經在強大的引力場中被嚴重拉伸,頻率變得很低:「我很好。。。我 很 好。。。 我。。。。。。。很。。。。。。。好。。。」

當你最終抵達事件邊界,安妮會發生你靜止了,彷彿某人按下了暫停按鈕。她會看到你還在那裡,一動不動,拉伸的身體開始被烈焰吞噬。

在安妮看來,你已經因為空間的拉伸,時間的靜止和霍金輻射產生的高熱,在甚至還未跨越事件邊界的時候變已經化為灰燼了。

然而,在我們為你準備葬禮之前,先讓我們忘掉安妮的報告,轉而從你自己的視角來看一看這段時間裡你究竟經歷了什麼?好吧,現在更加詭異的事情出現了:你覺得什麼事都沒有發生。

在你的下落過程中,你將感受不到拉伸,減速或是可怕的輻射。這是因為你正處於自由落體狀態下,因此你感受不到重力的存在——愛因斯坦將這稱之為自己「最令人愉悅的想法」。

畢竟,事件邊界並不是一堵磚牆,而只是一種空間上的無形邊界。一名位於外部的觀測者無法目睹這一邊界內部的事件,但這對於你而言不是問題——對你而言,這裡並不存在什麼邊界。

當然,如果你正落入的是一個較小型的黑洞,那麼你的確會有大問題。你將感受到強大的引力作用:你的腿部感受到的引力要比頭部強大的多,你將會像一根意大利麵 條那樣被拉長。但幸運的是你現在落入的是一個大型黑洞,其質量是太陽的數百萬倍,在這種情況下,那種會將人撕碎的引力差將變得非常小,幾乎可以忽略。

理論上說,在一個足夠大的黑洞中你可以正常的度過餘生,直到最終落到黑洞中央的奇點上迎來死亡。

「正常」——有多正常?你可能會有這樣的疑問,因為此時的你正墜入時空連續體中的裂隙,完全不以自己的意志為轉移,沒有辦法回頭——一定沒有人能夠體會你的感受。

但奇怪的是,實際上從某種角度來看,我們是能夠體會你的感受的——你是從空間上,而是從時間上——時間之河永恆地向前流淌,不以我們的意志為轉移,我們只能隨著時間向前走,沒有辦法回頭。

這並不僅僅是一個比方。黑洞將空間和時間扭曲到了一個極端的程度,以至於在黑洞內部,時間和空間已經互換了角色。從某種意義上說,是時間將你推向最後的奇點。你無法回頭逃離黑洞,一如我們無法回頭,回到過去。

量子物理學指出,黑洞的邊界可能存在一堵「火牆」

黑洞的事件邊界並不是一堵現實存在的牆

「黑洞信息悖論」

到了這一步,你大概會想:等一下,那個安妮到底是怎麼回事?明明我什麼都沒發生,周圍什麼都沒有,只有空曠的空間,為什麼她一口咬定親眼看到我在事件邊界外就已經被燒成灰了?難道她產生幻覺了嗎?

事實是,安妮並沒有產生幻覺。從她的視角看,你的確是在事件邊界附近就被燒成灰燼了。這不是幻覺。如果可以的話,她甚至還可以收集你的骨灰並帶回地球給你的家人安葬。

實際上,自然界的定律要求從安妮的視角觀察,你必須永遠都無法進入到黑洞的內部。這是因為量子物理學原理要求信息不可丟失——任何描述你的存在的信息必須留在黑洞外部,否則安妮所在空間的物理學定律將會崩潰。

而在另一方面,物理學定律也要求你必須能夠穿越事件邊界,而不會遭遇到超熱粒子流或其他任何異常的東西。否則你將違背愛因斯坦的那個「最令人愉悅的想法」和廣義相對論原理。

因此,簡單來說,物理學定律要求你同時存在兩種狀態——在黑洞外成為一堆灰燼,以及在黑洞內,完好地活著。然而還有第三項物理學定律,它指出信息是不允許被克隆的——你必須同時存在於兩個地點,但同時你只能有一個。

不知怎的,物理學定律將我們帶向了一個似乎違背常識的結論。物理學家們將這一矛盾性結論稱為「黑洞信息悖論」(Black Hole Information Paradox)。幸運的是,在1990年代,他們終於找到了一種調和這對矛盾的方法。

物理學家萊納德‧蘇斯坎德(Leonard Susskind) 意識到這一悖論實際上並不存在,因為並沒有人能夠看到另一個你。安妮只能看到已經化為灰燼的你,而你只能看到活著的你自己。你和安妮之間永遠無法將這兩個 「你」進行對比,並且也不存在第三名觀察者能夠同時看到黑洞內部和外部的情況。因此在這樣的情況下,物理定律將不會被突破。

除非你非要深究,這兩個你究竟哪一個才是真的你。你想知道:我究竟是活著還是死了?

黑洞的研究所揭示的一項重要事實便是:根本就沒有現實。所謂現實僅僅取決於你所詢問的對象是誰。在這個故事中有對於安妮而言的現實,也有對於你而言的現實。大概就是這樣。

從事件邊界噴湧而出的「霍金輻射」

黑洞——一旦你落入其中,永遠不可能再出來

「鬼魅般的遠距作用」

在2012年的夏天,一個物理學家小組(包括4名成員:Ahmed Almheiri,Donald Marolf,Joe Polchinski 以及James Sully,簡稱AMPS)設計出一項思想實驗,它可能將會徹底顛覆我們對黑洞的認識。

AMPS小組意識到,蘇斯坎德的解決方案完全基於一個前提,那就是黑洞的事件邊界將可以調和你和安妮所見的不同事實。你安全的漂浮在空間裡,而安妮看到你化為了一團灰燼,這不要緊,因為安妮看不到位於事件邊界另一側的那個你。但是,假如安妮找到了一種方法,可以在並不需要親自穿越事件邊界而得知這一邊界另一側情況的方法,那將會怎樣?

簡單的應用相對論,那麼這個問題將不能成立,但量子物理學原理讓這個問題變得比我們設想的更加複雜。安妮或許可以窺見事件邊界後的一絲隱情,她採用的方法就是被愛因斯坦稱作「鬼魅般的遠距作用」(“spooky action-at-a-distance”)的一種現象。

這就是量子糾纏效應——兩個粒子儘管在空間上分離,但卻詭異地相互聯繫(「糾纏」)。它們同屬於一個單一而不可分的整體,因此對其進行描述的信息無法在它們其中的任何一個粒子身上找到,而在於如鬼魅般將它們兩者聯繫在一起的那種「糾纏」之中。

AMPS小組的思想實驗正是基於此——設想安妮掌握有靠近事件邊界的一組信息,稱之為A。如果她的故事是正確的,你已經在黑洞邊界附近化為灰燼,那麼信息A必定與另外一組信息B之間存在糾纏,信息B應當與那團高溫粒子流有關。

而在另一方面,如果你的故事是正確的,你在事件邊界的另一側安全地存活著。那麼信息A則必須與另一個不同的信息C相互糾纏,這個信息C應當與黑洞內部的某種東西有關。

這裡就出現了矛盾:每一組信息都只能被關聯一次。也就是說信息A只能在B和C之間關聯一次——要麼與B糾纏,要麼與C糾纏,不能兩者同時。

因此安妮手裡握有信息A,並將它放入她的手持式糾纏解譯機,此時這台機器將會顯示答案:要麼B,要麼C,而不會是兩者同時顯示。

如果顯示的答案是C,那麼你的故事勝出,但量子物理學原理將會崩潰。如果信息A與深入黑洞內部的信息C相互糾纏,那麼對於安妮而言,她所掌握的信息A從此將永遠消失,這就違背了量子物理學所規定的信息不可丟失的原則。

那麼如果顯示的結果是B呢?如果解譯機器顯示的答案是B,那麼安妮的故事勝出,但愛因斯坦的廣義相對論將會崩潰。如果信息A與信息B相互糾纏,那麼安妮的故事就是真實的版本,也就是說你真的已經化為灰燼,而不是安然無恙地通過事件邊界,就像廣義相對論所要求的那樣——你遭遇到一堵真實存在的「火牆」。

這樣一來,我們就被迫回到我們最初開始的地方:當你墜向一個黑洞時究竟會發生什麼?你會安然無恙地通過事件邊界?還是會在下落過程中一頭撞上「火牆」而化為灰燼?沒有人知道答案,這已經成為基礎物理學領域最持久的難題之一。

事實上,物理學家們已經花費超過100年時間試圖調和廣義相對論與量子原理之間的矛盾,他們知道最終這兩者之間必定將會有一個做出讓步。黑洞帶給我們的這一悖論或許將幫助我們判斷究竟哪一種理論將做出讓步,並指引我們找出掌管宇宙運行的更深層次上的基本理論。

黑洞內部究竟是什麼樣的?沒有人知道答案

「鬼魅般的遠距作用」——量子糾纏效應——兩個粒子儘管在空間上分離,但卻詭異地相互聯繫(「糾纏」)

黑洞能從周圍天體上吸取物質

回到起點

其中的線索之一或許就在安妮的解譯機器上。要想解譯出與信息A糾纏的另一個信息是極其困難而複雜的。因此新澤西州普林斯頓大學的物理學家丹尼爾‧哈囉(Daniel Harlow)以及加州斯坦福大學的物理學家帕特里克‧海登(Patrick Hayden)想要知道這樣的解譯過程將需要花費多長時間才能完成。

在2013年,他們計算的結果發現,即便借助物理學原理極限所允許的最強大的計算機,安妮要想解譯出所需的信息也將耗費極其漫長的時間。到她最終解譯出結果時,那個黑洞早就已經完全蒸發,從宇宙中消失了。

如果這一結果是正確的,那麼解譯過程本身的極端複雜性將阻止安妮找出兩個版本故事之間哪個是真實的努力。這樣就只能假設這兩個故事都是真實的,何為現實僅僅 取決於不同的觀測者,所有的物理學定律都將不會被違背——你已經死亡,化為了灰燼,但同時也安全地通過了事件邊界,沒有遭遇到可怕的「火牆」,安然無恙地 活著。

這一結果也啟發物理學家們去思考一些新的問題:那就是極端複雜的計算(如安妮所遭遇的那樣)與時空之間的聯繫。這其中似乎隱藏著某種更加深層的秘密。

這就是有關黑洞的故事,並不僅僅關乎空間旅行者們的命運,它們也是理論物理學的天然實驗室,將物理系定律中的一些極細微缺陷無限放大,到我們完全不能忽略它們的地步。

如果現實的真正本質仍然隱藏在某處,那麼找出它們最好的地方就是黑洞。當然,在物理學家們真正有把握地搞清楚黑洞「火牆」的問題之前,我們最好還是站在事件邊界的外部觀察會比較好一點。或者我們就把安妮送進去,這次該輪到她上了。

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