黑洞里的大象到底去哪了?

一只年夜象不幸失落进了黑洞。更不幸的是,黑洞蒸发清洁了,年夜象也不见了踪影。信息不是不灭的吗?那么年夜象所含的信息怎么会无缘无故地消逝了呢?

黑洞里的年夜象掉踪了

黑洞是个吞噬一切的宇宙怪物,它们是一些我们看不见的天体,只要外界的物质落入它们的势力规模(科学上把这个规模的鸿沟叫做“黑洞视界”),就再也别想跑到黑洞之外,即使是宇宙中奔驰速度最快的工具——光,也不克不及逃走黑洞庞大引力的束厄局促。

黑洞的蛮横让人颤栗,不外它们究竟结果距离地球很远,所以我们地球人仍是很平安的。只是自从20宿世纪70年月以来,黑洞设下了一道难题,让科学家头疼了几十年。阿谁时辰,英国闻名天文学家斯蒂芬?霍金从理论上证实,黑洞其实也不是完全只吃不吐,它也会标的目的外辐射能量,这就是所谓的黑洞蒸发。只是黑洞蒸发的速度惊人得慢,一个年夜一点儿的黑洞要很多很多亿年才能蒸发清洁。

问题来了,非论黑洞蒸发速度有多慢,它总会有蒸发清洁的一天,最后一丁点儿的工具都不剩。那么,假设曾经有一只年夜象不幸落入了黑洞之中,再也没能跑出来,在黑洞蒸发清洁的时辰,那这只年夜象所含的信息去哪里了?

这其实是个很是严厉的理论问题。因为按照描述微不雅宿世界的量子理论,宇宙中的信息是不会凭空消逝的,年夜象的质量、外形、布局等特征,就是年夜象的信息。就算年夜象死失落了,本来的信息转换当作了新的信息,好比腐臭的象肉、腐臭的气息,但总归信息是不会丢掉的。可是按照黑洞理论,年夜象携带着本身的信息落入了黑洞,而黑洞蒸发之后,这些信息居然不见了,这就违反了量子理论。

并且,这只年夜象也不成能在黑洞还没蒸发完的时辰,从黑洞里偷偷溜出来,不然,它将违反爱因斯坦的广义相对论,因为按照广义相对论,宇宙中任何物体的速度都不克不及跨越光速,年夜象当然也不克不及超光速奔驰,是以它没有跑出黑洞之外的可能。

这就是黑洞信息丢掉谜团,它标的目的我们展示了今朝物理学的两年夜理论——研究宏不雅宿世界的广义相对论和研究微不雅宿世界的量子理论——之间的深刻矛盾。从黑洞中凭空消逝的年夜象告诉我们,要么广义相对论有问题,年夜象所含的的信息能从黑洞跑出来;要么量子理论有问题,信息是可以凭空消逝的;要么,两者可能都有问题。

我们看到的并不是时空

科学家今朝正致力于把广义相对论和量子理论同一在一路,形当作一个能诠释万物纪律的“年夜同一理论”,一个能诠释年夜象去哪里了的理论。

加拿年夜物理学家斯莫林一向致力于年夜同一理论的研究,并且比来,他获得一些有趣的发现,好比他提出,时空可能底子不是我们曩昔所认为的那样,恰是对时空的错误熟悉,让我们无法诠释黑洞中的年夜象去了哪里。

持久以来,人们曾经认为,时候是时候,空间是空间,两者各自自力,没有什么联系。直到爱因斯坦的相对论提出来,人们才熟悉到,时候和空间其实是密不成分的,两者配合组成了我们四周的时空。从维度上讲,时候是一维的,空间是三维的,是以时空是四维的。有质量的物体味引起四周时空的弯曲,但不管如何,宇宙其他角落的聪明生命和我们都处于性质不异的四维时空之中。

可是,斯莫林发问了,我们不雅察一下四周,看获得时候和空间吗?好比我们筹算看一下此刻几点了,当我们看手表的时辰,从手表反射过来的光子击中了我们的视网膜。真正触动我们视网膜的工具,是这些光子的能量和动量,按照光子的这些信息,我们的年夜脑阐发出了手表所显示的时候。

所以,我们并没有看到时候和空间,换句话说我们没看到四维时空。那我们看到的是什么呢?

另一种空间!这是由能量和动量所构成的空间,这个空间在物理学上叫做——动量空间。与四维时空近似,动量空间也是四维的,此中的一维是能量,而别的三维,是动量的三个分量。

概况看起来,科学家构建出来的动量空间似乎只是个数学游戏罢了,四维时空已经很好地诠释了宏不雅宿世界,我们再构建个动量空间,似乎没有需要。但其其实某些方面,动量空间比四维时空显得加倍真实。

好比在粒子对撞机中,粒子们高速地相撞,酿成其他一些粒子,涉及到能量和动量的转换;我们操纵天文千里镜不雅察遥远的天体,现实上我们不雅察到的不外是光子的能量和动量这类信息。至少从这些不雅察上讲,非论宏不雅宿世界仍是微不雅宿世界,我们也许并不是糊口在时候和空间中,而是糊口在由能量和动量组成的动量空间里。

更令人深思的是,早在1938年,德国物理学家马克斯?玻恩就发现,非论是用时空坐标系仍是动量空间坐标系,量子理论的几个关头方程的表达都是一样的。于是玻恩猜想,人们可否经由过程这种联系,把描述宏不雅时空的广义相对论和描述微不雅粒子动量和能量的量子力学同一起来呢?

谁也别想知道年夜象去哪儿了

玻恩那时还猜想,既然爱因斯坦的四维时空可以或许被恒星、星系的质量所弯曲,那么动量空间也应该会被某些事物所弯曲。

若是动量空间是弯曲的,并且它是真实存在于我们四周的,会对我们的糊口有什么影响呢?斯莫林发现,弯曲的动量空间将底子性地批改爱因斯坦告诉我们的宇宙不雅。

在广义相对论中,宇宙遍地的不雅察者都处于不异的四维时空中,他们不雅察某个星体的位置时,不会有什么地址上的歧异。可是在动量空间中,环境完全分歧。例如,若是一颗超新星距离你有100亿光年远,这颗超新星发出的光的能量年夜约是100亿电子伏特,那么你测量这个星体在时空中的位置,若是超新星四周也有一个不雅察者测量了这个星体的位置,你们两人获得的位置是纷歧致的,相差1光秒,即光跑1秒的距离(30万千米)。也就是说,若是你和阿谁不雅察者交流一下超新星的位置,他会感觉你给出的超新星的位置有30万千米的误差。


这就是说,在弯曲的动量空间中,星体的位置其实并不是固心猿意马的,而是要取决于不雅察者站在什么位置,斯莫林把这个现象称为星体具有“相对地址”。

一个不雅察者对四周时空的测量成果,和另一个不雅察者是纷歧样的,并且从理论上讲,两个不雅察者的距离越远,测量成果不同就越年夜;或者两个不雅察者在测量时的时候差距越年夜,测量成果的不同也就越年夜。

相对地址的概念可以很好地诠释黑洞中的年夜象为什么掉踪了。假设在年夜象不幸落入了黑洞的时辰,我们看到了这悲凉的一幕。然后我们守候在黑洞旁边,颠末了很多亿年之后,黑洞蒸发清洁了,此时我们不雅察不到年夜象了。那么,当我们回溯年夜象落入黑洞的那一刻时,按照动量空间的性质,那时年夜象所处的地址已经变得不确定了,因为作为不雅察者的我们,那时和此时是纷歧样的。所以,在黑洞蒸发完毕的时辰,我们竟然无法判定,年夜象昔时是否真的落入了黑洞之中,仍是与黑洞当面错过,幸运地逃走了黑洞的魔爪。

于是,所谓的黑洞信息丢掉、年夜象掉踪的谜团,就如许临时解决了。简单地说,年夜象的位置取决于不雅察者,它呈现的位置是会改变的!

相对地址给我们脑筋中的宿世界面孔以重重的一击。若是我们四周的时空也是取决于不雅察者的,也是转变的,你看到的时空和我看到的时空并不是一致的,那么真实宿世界到底是什么呢?动量空间才是宇宙的“年夜布景”,天体和粒子在此中驰骋吗?

我们的宇宙可能是8维的

斯莫林认为,宇宙并不是虚无缥缈的,应该存在一个不变的、绝对的时空,年夜到天体、小到粒子的各类物质,都是这个时空中的“居平易近”,那头在黑洞中掉踪的年夜象,也是这个时空的居平易近。

这个不变的时空,应该是我们已经知晓的四维时空和动量空间的连系,它可能有8个维度,包含了时候、位置、动量、能量等各类特征。四维时空和动量空间只是这个8维时空“硬币”的两个面,斯莫林把这种设想中的时空叫做“相空间”,它才是我们所处的宇宙的真正“年夜布景”。

爱因斯坦的相对论也好,今朝的量子理论也好,都只是对这个更高维度的相空间的部门描述。相空间把本来割裂的时空、能量、动量都同一了起来,若是科学家可以或许找到适合描述相空间的理论,这个理论应该就是年夜同一理论。

是以,那头年夜象所含的信息固然在黑洞蒸发时消逝了,但它仅仅是在四维时空中消逝了,并没有在8维时空中消逝,它所包含的信息依然存在于宇宙之中,只是我们从四维时空的角度不雅察不到了罢了。

给新的时空一个证实

相空间是真实的吗?相对论已经证实了四维时空的存在,接下来科学家的使命是证实动量空间的存在。

我们知道,质量会造当作四维时空的弯曲,斯莫林认为,同样具有四个维度的动量空间,也会因为某种原因,而发生弯曲。若是动量空间是弯曲的,就会在宇宙中制造出一些有趣的现象,好比它会对宇宙中的伽马射线暴发生影响。

伽马射线暴是宇宙早期的年夜质量恒星在灭亡时发出的伽马射线,往往在几秒钟内恒星释放的能量就半斤八两于几百颗太阳平生释放的能量。伽马射线暴中既有高能光子,也有低能光子。若是动量空间是弯曲的,那么从理论上讲,在统一次伽马射线暴中,一个高能光子和一个低能光子同时发生,标的目的地球飞驰过来的话,低能光子将先达到,而高能光子会后达到。

2005年,天文学家第一次在千里镜中不雅察到,一次伽马射线暴发生的高能光子简直比低能光子更晚达到地球;2008年美国发射升空的费米伽马射线太空千里镜也证实,确实存在这个现象。

可是,人们今朝并不清晰,高能光子迟到的现象简直是弯曲的动量空间造当作的,仍是由伽马射线暴自身的特征造当作的。假如伽马射线暴是刹时爆发的,我们可以说高能光子和低能光子同时发生,那么两者抵达地球的时候分歧,就可以证实弯曲的动量空间是存在的。

但伽马射线暴也许先释放出低能光子,在若干秒之后,才释放出高能光子,于是两者抵达地球的时候就发生了差别。如斯一来,弯曲的动量空间是否存在,就纷歧心猿意马了。

解决方案仍是有的,那就是收集更多的、从分歧位置发生的伽马射线暴的信息。若是高能光子迟到现象是伽马射线暴自身特征发生的,好比先发生了低能光子,必然时候后又发生了高能光子,那么非论这些伽马射线暴呈现的距离远近,两种光子达到地球的时候差就是不异的;若是迟到现象是弯曲的动量空间发生的,分歧伽马射线暴的高能光子迟到的时候就会纷歧样。天文学家正在做这方面的不雅测,以证实弯曲的动量空间是否存在。

爱因斯坦固然把时候和空间同一到了四维时空中,但持久以来,人们割裂地对待时空与能量、动量的关系。也许,下一次物理学革命正在开启,时空与能量、动量也将被同一在相空间之下,我们的宇宙不雅将再次升华。

本文源自豪科技〈科学之谜〉 杂志文章


  • 发表于 2018-01-09 00:00
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