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黑洞里的大象到底去哪了?

2018-01-10 16:01:30 | 标签:黑洞,大象 | 编辑:木予心 | 阅读数量:329 | 文章来源:大科技

一只大象不幸掉进了黑洞。更不幸的是,黑洞蒸发干净了,大象也不见了踪影。信息不是不灭的吗?那么大象所含的信息怎么会无缘无故地消失了呢?

    一只大象不幸掉进了黑洞。更不幸的是,黑洞蒸发干净了,大象也不见了踪影。信息不是不灭的吗?那么大象所含的信息怎么会无缘无故地消失了呢?



    黑洞里的大象失踪了


    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范围(科学上把这个范围的边界叫做“黑洞视界”),就再也别想跑到黑洞之外,即使是宇宙中奔跑速度最快的东西——光,也不能逃脱黑洞巨大引力的束缚。


    黑洞的霸道让人颤栗,不过它们毕竟距离地球很远,所以我们地球人还是很安全的。只是自从20世纪70年代以来,黑洞设下了一道难题,让科学家头疼了几十年。那个时候,英国著名天文学家斯蒂芬•霍金从理论上证明,黑洞其实也不是完全只吃不吐,它也会向外辐射能量,这就是所谓的黑洞蒸发。只是黑洞蒸发的速度惊人得慢,一个大一点儿的黑洞要许多许多亿年才能蒸发干净。


    问题来了,不论黑洞蒸发速度有多慢,它总会有蒸发干净的一天,最后一丁点儿的东西都不剩。那么,假设曾经有一只大象不幸落入了黑洞之中,再也没能跑出来,在黑洞蒸发干净的时候,那这只大象所含的信息去哪里了?


    这其实是个非常严肃的理论问题。因为根据描述微观世界的量子理论,宇宙中的信息是不会凭空消失的,大象的质量、形状、结构等特征,就是大象的信息。就算大象死掉了,原来的信息转换成了新的信息,比如腐烂的象肉、腐臭的气味,但总归信息是不会丢失的。可是根据黑洞理论,大象携带着自己的信息落入了黑洞,而黑洞蒸发之后,这些信息居然不见了,这就违背了量子理论。


    而且,这只大象也不可能在黑洞还没蒸发完的时候,从黑洞里偷偷溜出来,否则,它将违背爱因斯坦的广义相对论,因为根据广义相对论,宇宙中任何物体的速度都不能超过光速,大象当然也不能超光速奔跑,因此它没有跑出黑洞之外的可能。


    这就是黑洞信息丢失谜团,它向我们展示了目前物理学的两大理论——研究宏观世界的广义相对论和研究微观世界的量子理论——之间的深刻矛盾。从黑洞中凭空消失的大象告诉我们,要么广义相对论有问题,大象所含的的信息能从黑洞跑出来;要么量子理论有问题,信息是可以凭空消失的;要么,两者可能都有问题。



    我们看到的并不是时空


    科学家目前正致力于把广义相对论和量子理论统一在一起,形成一个能解释万物规律的“大统一理论”,一个能解释大象去哪里了的理论。


    加拿大物理学家斯莫林一直致力于大统一理论的研究,而且最近,他获得一些有趣的发现,比如他提出,时空可能根本不是我们过去所认为的那样,正是对时空的错误认识,让我们无法解释黑洞中的大象去了哪里。


    长期以来,人们曾经认为,时间是时间,空间是空间,两者各自独立,没有什么联系。直到爱因斯坦的相对论提出来,人们才认识到,时间和空间其实是密不可分的,两者共同构成了我们周围的时空。从维度上讲,时间是一维的,空间是三维的,因此时空是四维的。有质量的物体会引起周围时空的弯曲,但不管怎样,宇宙其他角落的智慧生命和我们都处于性质相同的四维时空之中。


    但是,斯莫林发问了,我们观察一下周围,看得到时间和空间吗?比如我们打算看一下现在几点了,当我们看手表的时候,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东西,是这些光子的能量和动量,根据光子的这些信息,我们的大脑分析出了手表所显示的时间。


    所以,我们并没有看到时间和空间,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组成的空间,这个空间在物理学上叫做——动量空间。与四维时空类似,动量空间也是四维的,其中的一维是能量,而另外三维,是动量的三个分量。


    表面看起来,科学家构建出来的动量空间似乎只是个数学游戏而已,四维时空已经很好地解释了宏观世界,我们再构建个动量空间,似乎没有必要。但其实在某些方面,动量空间比四维时空显得更加真实。


    比如在粒子对撞机中,粒子们高速地相撞,变成其他一些粒子,涉及到能量和动量的转换;我们利用天文望远镜观察遥远的天体,实际上我们观察到的不过是光子的能量和动量这类信息。至少从这些观察上讲,不论宏观世界还是微观世界,我们也许并不是生活在时间和空间中,而是生活在由能量和动量构成的动量空间里。


    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,不论是用时空坐标系还是动量空间坐标系,量子理论的几个关键方程的表达都是一样的。于是玻恩猜想,人们能否通过这种联系,把描述宏观时空的广义相对论和描述微观粒子动量和能量的量子力学统一起来呢?



    谁也别想知道大象去哪儿了


    玻恩当时还猜想,既然爱因斯坦的四维时空能够被恒星、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。


    如果动量空间是弯曲的,而且它是真实存在于我们周围的,会对我们的生活有什么影响呢?斯莫林发现,弯曲的动量空间将根本性地修正爱因斯坦告诉我们的宇宙观。


    在广义相对论中,宇宙各处的观察者都处于相同的四维时空中,他们观察某个星体的位置时,不会有什么地点上的歧异。可是在动量空间中,情况完全不同。例如,如果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大约是100亿电子伏特,那么你测量这个星体在时空中的位置,如果超新星附近也有一个观察者测量了这个星体的位置,你们两人得到的位置是不一致的,相差1光秒,即光跑1秒的距离(30万千米)。也就是说,如果你和那个观察者交流一下超新星的位置,他会觉得你给出的超新星的位置有30万千米的偏差。



    这就是说,在弯曲的动量空间中,星体的位置其实并不是固定的,而是要取决于观察者站在什么位置,斯莫林把这个现象称为星体具有“相对地点”。


    一个观察者对周围时空的测量结果,和另一个观察者是不一样的,而且从理论上讲,两个观察者的距离越远,测量结果差别就越大;或者两个观察者在测量时的时间差距越大,测量结果的差别也就越大。


    相对地点的概念可以很好地解释黑洞中的大象为什么失踪了。假设在大象不幸落入了黑洞的时候,我们看到了这悲惨的一幕。然后我们守候在黑洞旁边,经过了许多亿年之后,黑洞蒸发干净了,此时我们观察不到大象了。那么,当我们回溯大象落入黑洞的那一刻时,根据动量空间的性质,那时大象所处的地点已经变得不确定了,因为作为观察者的我们,那时和此时是不一样的。所以,在黑洞蒸发完毕的时候,我们竟然无法判断,大象当年是否真的落入了黑洞之中,还是与黑洞失之交臂,幸运地逃脱了黑洞的魔爪。


    于是,所谓的黑洞信息丢失、大象失踪的谜团,就这样暂时解决了。简单地说,大象的位置取决于观察者,它出现的位置是会改变的!


    相对地点给我们头脑中的世界面貌以重重的一击。如果我们周围的时空也是取决于观察者的,也是变化的,你看到的时空和我看到的时空并不是一致的,那么真实世界到底是什么呢?动量空间才是宇宙的“大背景”,天体和粒子在其中驰骋吗?



    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,应该存在一个稳定的、绝对的时空,大到天体、小到粒子的各种物质,都是这个时空中的“居民”,那头在黑洞中失踪的大象,也是这个时空的居民。


    这个稳定的时空,应该是我们已经知晓的四维时空和动量空间的结合,它可能有8个维度,包含了时间、位置、动量、能量等各种特性。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“大背景”。


    爱因斯坦的相对论也好,目前的量子理论也好,都只是对这个更高维度的相空间的部分描述。相空间把原来割裂的时空、能量、动量都统一了起来,如果科学家能够找到适合描述相空间的理论,这个理论应该就是大统一理论。


    因此,那头大象所含的信息虽然在黑洞蒸发时消失了,但它仅仅是在四维时空中消失了,并没有在8维时空中消失,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观察不到了而已。



    给新的时空一个证明


    相空间是真实的吗?相对论已经证明了四维时空的存在,接下来科学家的任务是证明动量空间的存在。


    我们知道,质量会造成四维时空的弯曲,斯莫林认为,同样具有四个维度的动量空间,也会由于某种原因,而产生弯曲。如果动量空间是弯曲的,就会在宇宙中制造出一些有趣的现象,比如它会对宇宙中的伽马射线暴产生影响。


    伽马射线暴是宇宙早期的大质量恒星在死亡时发出的伽马射线,往往在几秒钟内恒星释放的能量就相当于几百颗太阳一生释放的能量。伽马射线暴中既有高能光子,也有低能光子。如果动量空间是弯曲的,那么从理论上讲,在同一次伽马射线暴中,一个高能光子和一个低能光子同时产生,向地球飞奔过来的话,低能光子将先到达,而高能光子会后到达。


    2005年,天文学家第一次在望远镜中观察到,一次伽马射线暴产生的高能光子的确比低能光子更晚到达地球;2008年美国发射升空的费米伽马射线太空望远镜也证实,确实存在这个现象。


    但是,人们目前并不清楚,高能光子迟到的现象的确是弯曲的动量空间造成的,还是由伽马射线暴自身的特性造成的。假如伽马射线暴是瞬间爆发的,我们可以说高能光子和低能光子同时产生,那么两者抵达地球的时间不同,就可以证明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间就产生了差异。如此一来,弯曲的动量空间是否存在,就不一定了。


    解决方案还是有的,那就是收集更多的、从不同位置产生的伽马射线暴的信息。如果高能光子迟到现象是伽马射线暴自身特性产生的,比如先产生了低能光子,一定时间后又产生了高能光子,那么不论这些伽马射线暴出现的距离远近,两种光子到达地球的时间差就是相同的;如果迟到现象是弯曲的动量空间产生的,不同伽马射线暴的高能光子迟到的时间就会不一样。天文学家正在做这方面的观测,以证明弯曲的动量空间是否存在。


    爱因斯坦虽然把时间和空间统一到了四维时空中,但长期以来,人们割裂地看待时空与能量、动量的关系。也许,下一次物理学革命正在开启,时空与能量、动量也将被统一在相空间之下,我们的宇宙观将再次升华。

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