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救命啊!!我掉进黑洞里了?

想象你在太空中漂浮着。周围安静且寒冷,有点令人生畏。突然间,你感觉到一股牵引力,起初是微弱的,但当它把你拉向天空的一个空旷的区域时,这股牵引力会变得越来越强。在你搞清楚这是怎么一回事之前,你已经掉进了一个黑洞里。

随着人类有史以来第一张黑洞照片的问世,人们对这种时空怪兽存在性的任何怀疑都将被消除。但是关于其内部会发生什么事情,物理学家对此仍有着很大的争议。那么,不幸掉进黑洞的你可能会有什么样的命运呢?

开始掉进黑洞

所有物体都互相施加引力,但在大多数情况下,这个力是很弱的。但黑洞的引力十分强大,以至于任何东西,甚至包括光,都无法从黑洞中逃脱出去。黑洞的超强引力还会导致周围时间流逝的速度大幅度减缓。当你掉进黑洞的时候,你不会有什么不同的感觉,但是对于任何在远处的观察者来说,你掉进黑洞的过程却显得很漫长,甚至看不见你掉入黑洞的完整过程:随着你逐渐靠近黑洞,你的影像会需要越来越长的时间抵达观测者的眼睛里,而且影像中的光会被黑洞的引力拉得越来越长,这样,在观察者的眼中,你的影像越来越暗,颜色越来越红,直到从观察者的视野里消失。

接近这个黑洞时,你会注意到有一层光子沿黑洞表面绕黑洞转动,形成一个由光子构成的球状壳层,这就是黑洞的光层。穿过眩目的光层后,你会眼前一片黑暗,并且扑面而来的黑暗,似乎比你想象的要快得多。此外,由于黑洞的引力弯曲了周围的时空,恒星发出的光线经过黑洞边缘时会发生明显的弯曲。

这是你最后一次逃脱的机会。再往前走,你就会越过事件视界,即进去就再也出不来的分界线。当你穿过事件视界后,如果你有足够的力气回头看一眼身后的星空,你会注意到身后所有的星光都会聚集在一起,最终形成一个单一的红点,这是因为周围的光线因黑洞的引力发生严重扭曲导致的。同时,周围的空间会变成完全的黑暗,你会感觉到自己正沿着下坡路前行,而且你会感觉处处都是下坡路。

然后,你的身体会遭受巨大的折磨。黑洞内部的引力增加得如此之快,导致你身体各个部分受到引力之间的差距十分巨大,最终你的身体会因引力差而被拉伸,就像拉面一样,直至四分五裂。如果你的双脚朝着黑洞中心掉进黑洞的话,那么你的脚踝会首先从小腿拉扯出来,最终你的脖子会拉成面条,但整个的过程会在眨眼之间发生。但这种表达方式其实并不准确,因为你在这个过程中来不及眨眼,眼睛就有可能会突然弹出眼窝。

接着,组成你身体的物质会被挤压到黑洞中心那无限致密的奇点上。虽然你早已死亡,但是组成你身体的信息仍以某种形式存在于黑洞中。

我们接下来要讨论一下,你的信息最终会去哪里呢?下面给了几种可能:

一、完全消失;

二、被黑洞打嗝喷出来;

三、从一个白洞逃离出来;

四、成为一股辐射。

下面我们分别探讨一下这几种可能:

一、完全消失

热力学定律是无情的,即使是黑洞也无法逃脱它们的审判。根据热力学第二定律,宇宙的熵(表示混乱程度的物理量)会随着时间的流逝而增加。所以当你掉进去的时候,你的身体所包含的熵不能被抹去,它必须成为黑洞的熵的一部分,这代表黑洞应该也有很多熵。但是根据热力学定律,如果黑洞有熵,它一定有温度,所以像任何有温度的物体一样,它必然会产生热辐射。

这种任何东西都无法逃脱的时空区域里,如何产生出来辐射的呢?1974年,英国物理学家斯蒂芬·霍金解决了这个问题。他认为黑洞会产生辐射,即霍金辐射,但不是从黑洞的中心冒出来的,而是在黑洞外靠近事件视界的地方产生的。

量子理论认为,真空中充满了无数个虚粒子-反虚粒子对,它们会自发地成对出现,然后几乎在瞬间彼此湮灭。如果这种粒子对出现在黑洞事件视界附近的话,那么其中的一个会掉进黑洞,另一个可以逃离黑洞。逃离黑洞的粒子具有正能量,根据能量守恒定律,掉进黑洞的粒子则会具有负能量,负能量进入黑洞内部会导致黑洞质量的减少。这样,黑洞就会不停地产生粒子并向外辐射,并损失质量。从外界看来,黑洞好像在慢慢蒸发。黑洞越小,蒸发速度越快,直到黑洞完全的蒸发。但这一过程是极为缓慢的,一颗普通恒星死亡产生的黑洞需要经过约1066年才能蒸发殆尽。

许多物理学家认为,霍金辐射不能携带任何与掉入黑洞的物质有关的信息。这意味着如果一个黑洞完全蒸发掉了,那么你以及里面其他物质携带的信息也就随之消失了。

但这却违背了物理学的另一个基本原则:信息不能被摧毁。如果信息能被摧毁,那么就破坏了整个物理学的根基。这个问题被称为黑洞信息悖论,物理学家当前还无法解决这个悖论。

结论:如果一个黑洞能摧毁信息,那么它就能摧毁所有关于你的信息。

二、被黑洞打嗝喷出来

一些物理学家建议,当黑洞通过霍金辐射蒸发时,你可以耐心在其中等待,当黑洞临近死亡时,你的一些信息也许被它打嗝喷出来。这样的话,至少你的一些信息不会永远丢失。

黑洞打嗝的机制是这样的:在遥远的未来某个时候,黑洞的事件视界将变得如此之小,甚至都无法容下一个粒子。在那个时候,与你身体相关的残留信息将会被突然吐出来,然后,黑洞最终蒸发殆尽,只留下一个空白的空间。

但是,等待黑洞打嗝,可能存在一个问题。黑洞的质量越小,蒸发速度越快,但黑洞的质量越小,内部剩余的残余信息也就越少。黑洞变小到足以吐出内部的信息时,里面几乎没有什么东西可以排出来了。黑洞会随着一声呜咽而消失,而关于你身体的任何残留痕迹,可能早就消失很久了。

结论:你想借助黑洞打嗝吐出自己的信息,但这种可能性很小。

三、从一个白洞逃离出来

黑洞不允许任何东西逃脱其引力,与之正好相反的是,被称为白洞的假想天体不允许任何东西进入它里面。一些物理学家认为,每个黑洞都通过一个虫洞与一个白洞相连,掉进黑洞的你最终会从白洞甩出去。

然而,法国艾克斯-马赛大学的物理学家卡洛·罗维利认为,也许你可以在不需要虫洞的情况下,找到一个白洞作为出口。他认为,每个白洞过去都是一个黑洞,这意味着在遥远的将来,当黑洞转变为一个白洞时,你的身体可能会被吐出来。但这种转变是如何发生的呢?

一旦恒星坍缩形成黑洞,其组成的原子会紧密地结合在一起,并开始受到量子物理定律的制约,这会导致一些奇怪和反直觉的现象。其中最重要的现象就是所谓的量子隧穿效应,它说,粒子都有一个很小但非零的机会,穿过一个原本无法穿透的屏障,并继续直行。罗维利认为,对于落进黑洞的粒子来说,这意味着理论上它们可以直接穿过中心无限密度的“奇点”,然后反弹回来。根据爱因斯坦的理论,掉进黑洞的东西会到达中心,然后它不能再回来了,但是量子理论允许它从中心隧穿过去,并从黑洞中反弹出来。

当粒子从黑洞中开始向外发生反弹时,此时的黑洞就演变为了一个白洞。你身体里的粒子奔向黑洞的中心并穿过中心的奇点,然后在反弹开来,总共过程只需几毫秒的时间。但因为相对论效应,一个外部的观察者需要等待数十亿年的时间才有可能观察到黑洞的这种转变。

结论:恭喜你,你找到了逃离黑洞的方法。尽管你看起来不再是原来的你了。

四、成为一股辐射

这个可能与第一个“完全消失”有点联系。前面已经说了,斯蒂芬·霍金认为,黑洞不断地向外产生辐射。那么,一个问题随之而来:你身体的信息是否能以霍金辐射的形式泄露出来呢?答案是,如果真的会发生这种情况的话,它会带来一个更大的麻烦。

霍金辐射的来源是真空中的虚粒子对,如果这种粒子对出现在黑洞事件视界附近的话,那么其中的一个会掉进黑洞,另一个可以逃离黑洞。但如果是这样的话,量子力学会给我们带来了一个令人不快的悖论。量子物理学认为,虚粒子对中两个粒子是处于相互纠缠的状态,不管它们相隔多远。即使其中一个粒子掉进了黑洞,另一个逃离了黑洞,它们之间仍会处于相互纠缠的状态。

但根据量子力学的要求,为了让霍金辐射能携带信息,辐射出的各个粒子之间必须存在一定的纠缠关系,而不是彼此独立、没有关联的。也就是说,一个刚辐射出的粒子a,除了继续与掉入黑洞的粒子b纠缠外,还得需要与辐射出的另一个粒子x相互纠缠。但问题是,这冒犯了纠缠的“一夫一妻制”原则——一个粒子一次只能与一个粒子发生纠缠,粒子a不能同时与粒子b和粒子x维持纠缠关系。如果你希望你的信息能通过霍金辐射离开黑洞,那么就必须解决这个矛盾。

要想解决量子纠缠的“一夫一妻制”原则,目前有两个可能的解决办法:

一是召唤出一堵炽热的火墙。这个火墙存在于事件视界上,它将打破辐射出的粒子a与掉进黑洞的伙伴粒子b之间的纠缠关系,这样粒子a就名正言顺地可以与事件视界外的粒子x维持纠缠关系,并遵循了粒子的“一夫一妻制”原则。

问题是,这与爱因斯坦的广义相对论完全不相容,爱因斯坦预言黑洞的事件视界与周围的空间不会有任何不同,都是连续光滑的。换句话说,当你穿过事件视界时,不会发现有一堵炽热的火墙。

况且即使存在火墙这样的障碍,它对于你来说,绝对不是一个好事。如果你想穿过它,你会在瞬间灰飞烟灭,其他任何掉进黑洞的东西也会如此。

结论:你掉进黑洞时,需要穿过一堵火墙,你会在瞬间变为灰烬。虽然这违背了广义相对论,但掉进黑洞中的灰烬里仍有你的信息,可以通过霍金辐射逃离黑洞。

二是利用时空细长的管道。这是美国斯坦福大学的伦纳德·苏斯金德和美国普林斯顿大学的胡安·马尔达切纳曾提出过的一个特别的黑洞理论。他们认为,一个黑洞内部会与许多细长的虫洞相连,虫洞的口径十分细,能通过它们的只能是微观粒子。这些虫洞不会穿过事件视界,而是在一个更高维度的时空中,把黑洞内部与黑洞外部直接相连起来。

于是,黑洞想要产生霍金辐射,可以直接通过这些虫洞从内部向外辐射粒子,黑洞内部的信息可以从这些虫洞逃离到外面,这样就没有了信息悖论。此外,这种产生辐射的机制,不需要借助真空中的虚粒子对来解释,所以,关于纠缠现象的“一夫一妻制”原则就不需要被打破了,更没有必要在事件视界上召唤出一堵火墙了。该理论是否合理仍有待商榷,但看起来似乎很完美。

结论:你的信息也许可以利用时空细长的管道逃离出去。

拓展阅读:也许你没有撞到奇点上

根据广义相对论认为,黑洞的中心是一个密度无穷大的奇点。但在弦理论中,事情就不是这样了。

弦理论认为,物质不是由基本粒子组成,而是由微小的弦组成的。根据这个理论,黑洞的中心其实并不是一个密度无穷大的奇点,而是缠绕在一起的弦组成的弦球。黑洞的质量越大,弦球就越大,而且弦球的密度不是无穷大的,所以物理学定律不会在这里失效,掉进黑洞的信息也会保留在这个弦球上。这样,黑洞并不是一个真正的黑洞,它其实是一个由弦组成的球状天体。

当你越过事件视界,向中心的弦球前进时,你会被拉裂开。当你到达弦球表面时,你的身体最终会拆散成一束束的弦。然后,你的弦会开始在弦球表面扩散,与那里的其他弦混合在一起。此时,虽然你的身体已被拆散了,但组成你身体的弦仍会继续振动,并成为了宇宙中最奇异的东西的一部分。


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