天文太空

傾聽黑洞的心聲

光波在空間中的行為,和聲波在流體裡的行為,有著神秘的相似性,連黑洞也可以在聲學中找到對應。時空,會不會和愛因斯坦物理誕生之前的乙太一樣,根本就是一種流體呢?

撰文/賈可布森(Theodore A. Jacobson)、帕瑞塔尼( Renaud Parentani)
翻譯/林世昀

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傾聽黑洞的心聲

光波在空間中的行為,和聲波在流體裡的行為,有著神秘的相似性,連黑洞也可以在聲學中找到對應。時空,會不會和愛因斯坦物理誕生之前的乙太一樣,根本就是一種流體呢?

撰文/賈可布森(Theodore A. Jacobson)、帕瑞塔尼( Renaud Parentani)
翻譯/林世昀

愛因斯坦在1905年提出狹義相對論時,駁斥了一項19世紀的觀點:光波是由一種假想介質「乙太」的振動而產生的。他主張,光波可以在真空中行進,並不需要任何物質來支撐,不像在介質中傳播的聲波,其實只是介質的振動而已。在近代物理的另外兩大支柱(廣義相對論和量子力學)之中,這個狹義相對論的特性並沒有再修改。而到目前為止,小至次原子核,大至星系,所有的實驗數據,都能用這三大理論圓滿地解釋。

儘管如此,物理學家卻得面對一個深刻的觀念問題。就現在的理解,廣義相對論和量子力學是不相容的。廣義相對論將重力歸因於時空連續體的曲率,而這與量子理論的框架格格不入。在極短的距離之下,一般認為量子力學將會導致時空結構的高度彎曲,但理論學家對此的理解,進展卻極其微小。於是在挫折之餘,有些人便轉向一條出人意表之路:凝態物理(也就是研究如晶體或流體這些一般物質的學問),以尋求指引。

凝態物質在大尺度下,就和時空一樣,看起來也是連續體,不同之處僅在於,它們的微觀結構,是由我們透徹了解的量子力學所支配。此外,由於聲波在不均勻流體中的傳播行為,和光波在彎曲時空中傳播十分類似,因此我們和其他同行正在研究一種聲波的黑洞模型,企圖透過這項類比,獲得對於時空微觀行為的了解。這類的工作成果指出,時空也許正如流體物質一樣,具有顆粒性,而且在微觀的尺度下,會有某個特別優越的參考座標──這和愛因斯坦的假設剛好相反。

黑洞其實並不黑

黑洞是測試量子重力論的最佳場所之一,因為不管是量子力學或廣義相對論,在黑洞附近都極為重要。1974年,英國劍橋大學的霍金(Stephen W. Hawking)將量子力學套用在黑洞的視界上,自此這兩大理論的融合向前邁進了一大步。

根據廣義相對論,所謂的視界就是將黑洞內部(這裡的重力強到沒有任何東西可以逃離)與外部分隔開來的曲面,它不是一種物質的界限。不幸掉進黑洞中的旅人,在通過視界時,並不會有特別的感覺;可是一旦通過了視界,他們就再也無法將光波訊號傳送給黑洞外的人,更別說回到黑洞外頭去了。至於洞外的觀察者,只會收到旅人在通過視界前所發送的訊號。當光波爬出黑洞的重力位井時,它們會被拉長,使得頻率向下偏移,訊號的持續時間也變長。結果對觀察者來說,旅人看起來會像是用慢動作移動,而且會比平常的顏色要紅。

這種稱做重力紅移的效應,並不是黑洞所特有。舉例來說,當訊號在軌道衛星和地面基地之間傳遞時,其頻率和時間也會因重力紅移而改變。GPS導航系統必須把這個變數考慮進來,才能準確運作。不過黑洞特殊的地方在於,隨著旅人向視界趨近,紅移會變成無限大。從外部觀察者的角度來看,旅人墜入黑洞得花上無限久,儘管旅人自己會覺得只過了一段有限的時間而已。



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