天文太空

黑洞火牆

黑洞周圍可能有一堵高能量粒子構成的「火牆」,讓廣義相對論與量子力學都傷透腦筋。

撰文/普金斯基(Joseph Polchinski)
翻譯/高涌泉

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黑洞火牆

黑洞周圍可能有一堵高能量粒子構成的「火牆」,讓廣義相對論與量子力學都傷透腦筋。

撰文/普金斯基(Joseph Polchinski)
翻譯/高涌泉

掉進黑洞從來就不是有趣的事。在物理學家提出了黑洞的相關理論後,人們知道只要太靠近黑洞,死亡便是唯一下場。但是過去我們認為,正在穿越不歸點(亦即事件視界)的太空人不會察覺到任何特殊之處。根據廣義相對論,我們不可能在事件視界立下「只要通過此處,就無法回頭」的標誌,因為任何人通過事件視界時,只覺得掉進黑暗之中而已。

不過最近我和三位同事重新檢視這樣的看法,依據的是對於黑洞的量子力學效應的一些新研究。我們發現墜入黑洞的太空人所遭遇的情況會與愛因斯坦的預測大不相同,太空人將不會平順落向黑洞內部,反而會在事件視界碰上一堵高能量粒子的「火牆」(firewall),立即身亡。這堵牆甚至可能意味著空間的終結。

爭議再起

三年前,我們四人都在美國加州大學聖巴巴拉分校進行研究,同事馬若夫(Donald Marolf)、當時還是研究生的阿姆黑利(Ahmed Almheiri)以及蘇利(James Sully)、我;以四人姓氏的第一個字母依序排列AMPS做為團隊名稱。我們利用弦論的想法仔細研究了黑洞的物理學,尤其是再次檢驗霍金(Stephen Hawking)於1970年代所提出的有趣論證,而得到上述的結論。

霍金發現在黑洞這種極端的環境下,量子論(quantum theory)的預測與廣義相對論的預測有很深刻的矛盾。根據霍金的推論,若不是量子力學有問題就是愛因斯坦的時空觀出錯。自那時起,誰對誰錯的爭辯沒有明確的贏家,而是輪流佔上風。

和霍金的論證一樣,我們最近關於火牆的提議也引起質疑聲浪,不過截至目前為止,也還沒出現令人信服的反駁。如果我們相信量子力學,則火牆是必然的結果,但它的存在會帶來理論上的困惑,目前的情況是物理學家似乎必須放棄某項廣受接納的信念,不過究竟要拋棄哪一項,大家還沒有共識。我們期盼在困惑澄清之後,能夠對於量子力學與廣義相對論有更完備的了解,而且找到一個辦法來解決這兩個主要理論之間明顯的矛盾。

霍金蒸發

黑洞的概念來自廣義相對論,因為廣義相對論清楚描述了重力對於時空的影響,才得到這些神秘天體以及事件視界的圖像。依據這個理論,只要足夠的質量聚集在一起,重力就會讓這些質量開始塌縮。沒有任何物質可以阻擋這個塌縮過程,直到所有的質量壓縮至一個點上,這個點上的時空有無窮的密度與曲率,稱為奇異點(singularity),換句話說,它就是一個黑洞。

任何穿過黑洞事件視界的太空人將無法逃離黑洞的重力,並且很快被拉至奇異點。即使是光,一旦通過事件視界就逃不開了。奇異點是非常引人注目的區域,不過事件視界倒是沒有什麼奇特之處,根據廣義相對論中所謂的「等效原理」(equivalence principle),自由落入黑洞的人在通過事件視界時,所看到的物理定律會和任何其他區域的定律一樣。理論物理學家喜歡說,現在整個太陽系或許正在落入一個巨大的黑洞中,但是我們不會察覺到任何奇怪之處。


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