大質(zhì)量天體會(huì)導(dǎo)致時(shí)空的扭曲

在黑洞中，時(shí)空的扭曲程度到達(dá)極點(diǎn)

黑洞導(dǎo)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(gè)位于我們銀河系中央的大型黑洞　　

你有沒有偶爾出現(xiàn)過這樣的念頭：如果你掉進(jìn)一個(gè)黑洞會(huì)發(fā)生什么?

你可能會(huì)認(rèn)為自己大概會(huì)被壓碎，或者撕成碎片。但現(xiàn)實(shí)可能比你設(shè)想的更加詭異。在你落入黑洞的一瞬間，現(xiàn)實(shí)將會(huì)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，你幾乎毫發(fā)無損，并且這兩種情形可能都是真實(shí)的。

黑洞是什么?

黑洞是一類詭異之地，在這里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(huì)彎曲時(shí)空，造成時(shí)空本身發(fā)生扭曲。因此如果有一個(gè)密度足夠高的物體， 時(shí)空將發(fā)生嚴(yán)重扭曲，以至于在這個(gè)物體周圍的現(xiàn)實(shí)時(shí)空之中形成一個(gè)類似凹陷的區(qū)域，這就是黑洞。當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星耗盡其燃料之后發(fā)生爆炸塌縮，這一過程將 足以產(chǎn)生這樣奇異的超級(jí)致密天體。當(dāng)超大質(zhì)量恒星的死亡核心在自身質(zhì)量作用下不斷收縮，它周圍的時(shí)空隨之扭曲。它的引力開始變得如此之強(qiáng)，以至于光線也無法逃離它的掌控：在這顆恒星原先所在的位置上，一個(gè)新的黑洞出現(xiàn)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范圍邊界。在這一區(qū)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(yùn)含著巨大的能量。此處的量子效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的高溫粒子流并向外輻射，這就是所謂的“霍金輻射”。這是以英國著名天體物理學(xué)家霍金教授的名字 命名的，因?yàn)槭撬钕阮A(yù)言了這種輻射效應(yīng)的存在。只要給予足夠的時(shí)間，這種霍金輻射將最終耗盡黑洞的所有質(zhì)量并導(dǎo)致黑洞的最終消亡。

隨著你逐漸深入黑洞，時(shí)空變得更加扭曲，直到抵達(dá)黑洞的核心——在這里，時(shí)空的扭曲達(dá)到無限程度，這就是“奇點(diǎn)”。在這里空間和時(shí)間不再有意義，我們所熟知的，基于時(shí)間與空間概念的物理學(xué)定律也將全部失效。

那么在這里究竟將發(fā)生什么?另一個(gè)宇宙?混沌?或是通往小時(shí)候書架的后面?沒有人知道答案。

落入黑洞時(shí)會(huì)發(fā)生什么——你死了，但同時(shí)你活著

那么如果有一天你真的不幸落入其中一個(gè)黑洞之中，將會(huì)發(fā)生什么?首先我們假想你擁有一個(gè)名叫“安妮”(Anne)的同伴。你正朝著黑洞落去，而她仍然處于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(xiàn)象。

隨著你朝著黑洞的事件邊界不斷加速下落。安妮將會(huì)看到你的身體逐漸被拉長并扭曲，就像透過一個(gè)放大鏡觀察你的感覺。并且隨著你越來越接近事件邊界，安妮會(huì)發(fā)現(xiàn)你的移動(dòng)速度似乎變得越來越慢，就像在看慢動(dòng)作鏡頭。

你沒有辦法向她呼喊，因?yàn)榭臻g里沒有空氣，但你想到用自己的iphone手機(jī)，利用閃光的方式向安妮發(fā)送一段摩爾斯電碼(真的有一個(gè)這樣的app)。然而你發(fā)出的信號(hào)向外傳遞的速度同樣非常緩慢，光線的波長已經(jīng)在強(qiáng)大的引力場中被嚴(yán)重拉伸，頻率變得很低：“我很好。。。我 很 好。。。 我。。。。。。。很。。。。。。。好。。。”

當(dāng)你最終抵達(dá)事件邊界，安妮會(huì)發(fā)生你靜止了，仿佛某人按下了暫停按鈕。她會(huì)看到你還在那里，一動(dòng)不動(dòng)，拉伸的身體開始被烈焰吞噬。

在安妮看來，你已經(jīng)因?yàn)榭臻g的拉伸，時(shí)間的靜止和霍金輻射產(chǎn)生的高熱，在甚至還未跨越事件邊界的時(shí)候變已經(jīng)化為灰燼了。

然而，在我們?yōu)槟銣?zhǔn)備葬禮之前，先讓我們忘掉安妮的報(bào)告，轉(zhuǎn)而從你自己的視角來看一看這段時(shí)間里你究竟經(jīng)歷了什么?好吧，現(xiàn)在更加詭異的事情出現(xiàn)了：你覺得什么事都沒有發(fā)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?yàn)槟阏幱谧杂陕潴w狀態(tài)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，事件邊界并不是一堵磚墻，而只是一種空間上的無形邊界。一名位于外部的觀測者無法目睹這一邊界內(nèi)部的事件，但這對于你而言不是問題——對你而言，這里并不存在什么邊界。

當(dāng)然，如果你正落入的是一個(gè)較小型的黑洞，那么你的確會(huì)有大問題。你將感受到強(qiáng)大的引力作用：你的腿部感受到的引力要比頭部強(qiáng)大的多，你將會(huì)像一根意大利面 條那樣被拉長。但幸運(yùn)的是你現(xiàn)在落入的是一個(gè)大型黑洞，其質(zhì)量是太陽的數(shù)百萬倍，在這種情況下，那種會(huì)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(gè)足夠大的黑洞中你可以正常的度過余生，直到最終落到黑洞中央的奇點(diǎn)上迎來死亡。

“正常”——有多正常?你可能會(huì)有這樣的疑問，因?yàn)榇藭r(shí)的你正墜入時(shí)空連續(xù)體中的裂隙，完全不以自己的意志為轉(zhuǎn)移，沒有辦法回頭——一定沒有人能夠體會(huì)你的感受。

但奇怪的是，實(shí)際上從某種角度來看，我們是能夠體會(huì)你的感受的——你是從空間上，而是從時(shí)間上——時(shí)間之河永恒地向前流淌，不以我們的意志為轉(zhuǎn)移，我們只能隨著時(shí)間向前走，沒有辦法回頭。[!--empirenews.page--]

這并不僅僅是一個(gè)比方。黑洞將空間和時(shí)間扭曲到了一個(gè)極端的程度，以至于在黑洞內(nèi)部，時(shí)間和空間已經(jīng)互換了角色。從某種意義上說，是時(shí)間將你推向最后的奇點(diǎn)。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(xué)指出，黑洞的邊界可能存在一堵“火墻”

黑洞的事件邊界并不是一堵現(xiàn)實(shí)存在的墻　　

“黑洞信息悖論”

到了這一步，你大概會(huì)想：等一下，那個(gè)安妮到底是怎么回事?明明我什么都沒發(fā)生，周圍什么都沒有，只有空曠的空間，為什么她一口咬定親眼看到我在事件邊界外就已經(jīng)被燒成灰了?難道她產(chǎn)生幻覺了嗎?

事實(shí)是，安妮并沒有產(chǎn)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并帶回地球給你的家人安葬。

實(shí)際上，自然界的定律要求從安妮的視角觀察，你必須永遠(yuǎn)都無法進(jìn)入到黑洞的內(nèi)部。這是因?yàn)榱孔游锢韺W(xué)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(xué)定律將會(huì)崩潰。

而在另一方面，物理學(xué)定律也要求你必須能夠穿越事件邊界，而不會(huì)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(gè)“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(xué)定律要求你同時(shí)存在兩種狀態(tài)——在黑洞外成為一堆灰燼，以及在黑洞內(nèi)，完好地活著。然而還有第三項(xiàng)物理學(xué)定律，它指出信息是不允許被克隆的——你必須同時(shí)存在于兩個(gè)地點(diǎn)，但同時(shí)你只能有一個(gè)。

不知怎的，物理學(xué)定律將我們帶向了一個(gè)似乎違背常識(shí)的結(jié)論。物理學(xué)家們將這一矛盾性結(jié)論稱為“黑洞信息悖論”(Black Hole Information Paradox)。幸運(yùn)的是，在1990年代，他們終于找到了一種調(diào)和這對矛盾的方法。

物理學(xué)家萊納德·蘇斯坎德(Leonard Susskind) 意識(shí)到這一悖論實(shí)際上并不存在，因?yàn)椴]有人能夠看到另一個(gè)你。安妮只能看到已經(jīng)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(yuǎn)無法將這兩個(gè) “你”進(jìn)行對比，并且也不存在第三名觀察者能夠同時(shí)看到黑洞內(nèi)部和外部的情況。因此在這樣的情況下，物理定律將不會(huì)被突破。

除非你非要深究，這兩個(gè)你究竟哪一個(gè)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(xiàng)重要事實(shí)便是：根本就沒有現(xiàn)實(shí)。所謂現(xiàn)實(shí)僅僅取決于你所詢問的對象是誰。在這個(gè)故事中有對于安妮而言的現(xiàn)實(shí)，也有對于你而言的現(xiàn)實(shí)。大概就是這樣。

從事件邊界噴涌而出的“霍金輻射”

黑洞——一旦你落入其中，永遠(yuǎn)不可能再出來　　

“鬼魅般的遠(yuǎn)距作用”

在2012年的夏天，一個(gè)物理學(xué)家小組(包括4名成員：Ahmed Almheiri，Donald Marolf，Joe Polchinski 以及James Sully，簡稱AMPS)設(shè)計(jì)出一項(xiàng)思想實(shí)驗(yàn)，它可能將會(huì)徹底顛覆我們對黑洞的認(rèn)識(shí)。

AMPS小組意識(shí)到，蘇斯坎德的解決方案完全基于一個(gè)前提，那就是黑洞的事件邊界將可以調(diào)和你和安妮所見的不同事實(shí)。你安全的漂浮在空間里，而安妮看到你化為了一團(tuán)灰燼，這不要緊，因?yàn)榘材菘床坏轿挥谑录吔缌硪粋?cè)的那個(gè)你。但是，假如安妮找到了一種方法，可以在并不需要親自穿越事件邊界而得知這一邊界另一側(cè)情況的方法，那將會(huì)怎樣?

簡單的應(yīng)用相對論，那么這個(gè)問題將不能成立，但量子物理學(xué)原理讓這個(gè)問題變得比我們設(shè)想的更加復(fù)雜。安妮或許可以窺見事件邊界后的一絲隱情，她采用的方法就是被愛因斯坦稱作“鬼魅般的遠(yuǎn)距作用”("spooky action-at-a-distance")的一種現(xiàn)象。

這就是量子糾纏效應(yīng)——兩個(gè)粒子盡管在空間上分離，但卻詭異地相互聯(lián)系(“糾纏”)。它們同屬于一個(gè)單一而不可分的整體，因此對其進(jìn)行描述的信息無法在它們其中的任何一個(gè)粒子身上找到，而在于如鬼魅般將它們兩者聯(lián)系在一起的那種“糾纏”之中。

AMPS小組的思想實(shí)驗(yàn)正是基于此——設(shè)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(jīng)在黑洞邊界附近化為灰燼，那么信息A必定與另外一組信息B之間存在糾纏，信息B應(yīng)當(dāng)與那團(tuán)高溫粒子流有關(guān)。

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(cè)安全地存活著。那么信息A則必須與另一個(gè)不同的信息C相互糾纏，這個(gè)信息C應(yīng)當(dāng)與黑洞內(nèi)部的某種東西有關(guān)。

這里就出現(xiàn)了矛盾：每一組信息都只能被關(guān)聯(lián)一次。也就是說信息A只能在B和C之間關(guān)聯(lián)一次——要么與B糾纏，要么與C糾纏，不能兩者同時(shí)。

因此安妮手里握有信息A，并將它放入她的手持式糾纏解譯機(jī)，此時(shí)這臺(tái)機(jī)器將會(huì)顯示答案：要么B，要么C，而不會(huì)是兩者同時(shí)顯示。

如果顯示的答案是C，那么你的故事勝出，但量子物理學(xué)原理將會(huì)崩潰。如果信息A與深入黑洞內(nèi)部的信息C相互糾纏，那么對于安妮而言，她所掌握的信息A從此將永遠(yuǎn)消失，這就違背了量子物理學(xué)所規(guī)定的信息不可丟失的原則。[!--empirenews.page--]

那么如果顯示的結(jié)果是B呢?如果解譯機(jī)器顯示的答案是B，那么安妮的故事勝出，但愛因斯坦的廣義相對論將會(huì)崩潰。如果信息A與信息B相互糾纏，那么安妮的故事就是真實(shí)的版本，也就是說你真的已經(jīng)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(shí)存在的“火墻”。

這樣一來，我們就被迫回到我們最初開始的地方：當(dāng)你墜向一個(gè)黑洞時(shí)究竟會(huì)發(fā)生什么?你會(huì)安然無恙地通過事件邊界?還是會(huì)在下落過程中一頭撞上“火墻”而化為灰燼?沒有人知道答案，這已經(jīng)成為基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域最持久的難題之一。

事實(shí)上，物理學(xué)家們已經(jīng)花費(fèi)超過100年時(shí)間試圖調(diào)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(huì)有一個(gè)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，并指引我們找出掌管宇宙運(yùn)行的更深層次上的基本理論。

黑洞內(nèi)部究竟是什么樣的?沒有人知道答案

“鬼魅般的遠(yuǎn)距作用”——量子糾纏效應(yīng)——兩個(gè)粒子盡管在空間上分離，但卻詭異地相互聯(lián)系(“糾纏”)

黑洞能從周圍天體上吸取物質(zhì)　　

回到起點(diǎn)

其中的線索之一或許就在安妮的解譯機(jī)器上。要想解譯出與信息A糾纏的另一個(gè)信息是極其困難而復(fù)雜的。因此新澤西州普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家丹尼爾·哈羅(Daniel Harlow)以及加州斯坦福大學(xué)的物理學(xué)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(fèi)多長時(shí)間才能完成。

在2013年，他們計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即便借助物理學(xué)原理極限所允許的最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，安妮要想解譯出所需的信息也將耗費(fèi)極其漫長的時(shí)間。到她最終解譯出結(jié)果時(shí)，那個(gè)黑洞早就已經(jīng)完全蒸發(fā)，從宇宙中消失了。

如 果這一結(jié)果是正確的，那么解譯過程本身的極端復(fù)雜性將阻止安妮找出兩個(gè)版本故事之間哪個(gè)是真實(shí)的努力。這樣就只能假設(shè)這兩個(gè)故事都是真實(shí)的，何為現(xiàn)實(shí)僅僅 取決于不同的觀測者，所有的物理學(xué)定律都將不會(huì)被違背——你已經(jīng)死亡，化為了灰燼，但同時(shí)也安全地通過了事件邊界，沒有遭遇到可怕的“火墻”，安然無恙地 活著。

這一結(jié)果也啟發(fā)物理學(xué)家們?nèi)ニ伎家恍┬碌膯栴}：那就是極端復(fù)雜的計(jì)算(如安妮所遭遇的那樣)與時(shí)空之間的聯(lián)系。這其中似乎隱藏著某種更加深層的秘密。

這就是有關(guān)黑洞的故事，并不僅僅關(guān)乎空間旅行者們的命運(yùn)，它們也是理論物理學(xué)的天然實(shí)驗(yàn)室，將物理系定律中的一些極細(xì)微缺陷無限放大，到我們完全不能忽略它們的地步。

如果現(xiàn)實(shí)的真正本質(zhì)仍然隱藏在某處，那么找出它們最好的地方就是黑洞。當(dāng)然，在物理學(xué)家們真正有把握地搞清楚黑洞“火墻”的問題之前，我們最好還是站在事件邊界的外部觀察會(huì)比較好一點(diǎn)?；蛘呶覀兙桶寻材菟瓦M(jìn)去，這次該輪到她上了。