黑洞“逃生”攻略

文/宣 成

没人知道如果被吸入黑洞时会发生什么,但我们可以尽情发挥想象。

掉入黑洞
假如有一天你能够到宇宙中旅行,飘浮在安静、寒冷的太空中,欣赏着点点星光。突然,你被一股越来越强大的牵引力拉向一个黑暗的区域,等你回过神来,你已经身处一个黑洞之中。
随着人类拍摄的第一张黑洞图片的公布,人们对于黑洞的存在再无怀疑。但是,对于黑洞内部的情形,物理学家仍然有很大的争议。那么,如果你不幸被吸入一个黑洞中,你该如何逃出生天呢?
所有物体之间都存在引力,在大多数情况下,这种引力非常弱。但黑洞不一样,它所施加的引力非常强大,没有任何东西(包括光线)能够逃脱。黑洞的质量如此巨大,以至于黑洞中的时间都开始弯曲。在你掉入黑洞时,对于外部观察者来说,这一过程将是非常慢的。
在一片漆黑的黑洞周围,有一圈光子围绕着它转动。穿过这层光子之后,就是扑面而来的黑暗。此时是你逃脱的最后机会,再前进一步,你将越过黑洞的事件视界,再也无法出来了。
在你越过事件视界后,假设你还能有力气扭头看一下,你会发现身后的所有星光似乎都聚集在一起,形成一个红色的点,这是因为黑洞强大的引力场改变了你看到的光的性质。
然后你的身体将遭受惊人的折磨。黑洞内的引力增加得如此之快,它首先不会压碎你,而是以不同的速度拉伸你身体的每一个部位,就像扯拉面一样。在你还没有意识到的情况下,这一切将在瞬间发生。
接下来,你怎么做才能从黑洞中逃脱呢?

与黑洞同归于尽
即使是黑洞也要遵循热力学定律。根据热力学第二定律,宇宙中的熵永远不会自动减少。因此当你落入黑洞后,你所包含的熵也不能被抹去,必然会增加黑洞本身的熵。如果一个黑洞有熵,它必须有温度,就像任何有温度的物体一样,必然会辐射热量。
那辐射又如何从黑洞中逃脱呢?1974年,英国物理学家斯蒂芬·霍金提出了一个解决方法,认为黑洞会出现一种特殊的辐射,后来人们称之为霍金辐射。
这种霍金辐射不是从黑洞的中心出现的,而是由粒子和它们的反粒子构成,存在于事件视界附近。这些亚原子双胞胎本质上是相互联系的,任何一个发生改变都会立即影响另一个。用量子力学的语言表述,它们是彼此纠缠的。
当这种粒子对出现在黑洞事件视界附近时,任何落入黑洞的反粒子都会有一个伴生粒子辐射出去,减少黑洞的能量。这将导致一个惊人的结果:在某个时刻,黑洞会完全辐射掉,同时你也就消失了。
但是,这种黑洞消失的行为违反了理论物理学的另一个基本原则:信息不会消失。即使信息的一种形式被破坏,它也会以另一种形式存在。物理学家依靠这种连续性来获取有关过去的信息,并对未来做出预测。如果信息可以凭空消失和无中生有的话,我们所知道的所有物理规律都将是没有实际意义的。

等待黑洞打嗝
一些物理学家建议,在黑洞通过霍金辐射蒸发时,你可以坚守在黑洞内部。这样,至少你的一些信息不会永远丢失,而是被囚禁在黑洞中。
在遥远的未来,黑洞的事件视界将变得非常。词沟ヒ徊ǔさ墓庖膊荒茉偌方诙茨诓。这时候,与你的身体相关的辐射会像打嗝一样被吐出来,黑洞之前的位置只剩下一片虚无。
但等待黑洞打嗝也存在致命的缺陷:黑洞进行霍金辐射的速度由热力学定律决定。进行的辐射越多,黑洞就变得越。梢猿鱿值姆渚驮缴。当黑洞小到足以吐出其最后一点残余信息时,里面几乎就不剩下任何东西了。黑洞会呜咽一声消失,而不是发出响亮的打嗝声,而你存在的残留痕迹早就消失很久了。
因此,如果你将命运寄托在黑洞打嗝上,你可能会输得一塌糊涂。

寻找白洞出口
就像黑洞不允许任何物体逃脱一样,被称为白洞的假想物体无法容纳任何物体。有一种理论认为,每个黑洞都通过被称为虫洞的多维隧道,与一个白洞连接。你落入黑洞后,如果能找到虫洞,就可以从白洞中逃出来。
也有科学家认为,每个白洞都曾经是一个黑洞,这意味着在遥远的未来,当黑洞转变为一个白洞时,你的身体会被吐出来。但这种转变是如何发生的呢?
一旦恒星坍缩形成一个黑洞,由于它的组成原子结合得如此紧密,它们开始受到量子物理定律的制约。这可能会导致一些奇怪和反直觉的现象,其中最重要的就是量子隧穿现象,它表明粒子具有很小但非零的机会直接穿过一个不可穿透的屏障。对于落入黑洞的粒子,理论上可以直接通过其中心密度无限大的“奇点”,然后反弹回来。根据爱因斯坦的理论,掉入黑洞的物质无法再跑出来,但量子理论允许它隧穿出来。
这时,黑洞中的时空向外反弹,就形成了一个白洞。对于一个外部观察者来说,这个过程需要数十亿年。但在黑洞内部,由于巨大的引力,时间会加快。你向黑洞中心跌落,经过另一边反弹的时间将只有几毫秒。

将自己辐射出去
霍金认为,黑洞在不断地发出辐射。那么,是否可以通过霍金辐射的形式,将自己辐射出来呢?如果这种事情发生的话,将带来一种很复杂的后果。
霍金辐射由虚粒子对组成,它们在事件视界附近闪烁,其中一个伙伴粒子被吸入黑洞,而另一个逃逸出来。但如果是这样的话,会出现一个悖论。我们已经知道,霍金辐射的粒子与刚刚陷入黑洞的粒子处于纠缠状态,但是因为霍金辐射携带着信息,这要求辐射出的各个粒子之间必须存在一定的纠缠关系。也就是说,一个刚辐射出的粒子,除了继续与掉入黑洞的伙伴粒子纠缠外,还与之前辐射出来的另一个粒子相互纠缠。
这违背了量子纠缠的“一夫一妻制”原则——粒子不能同时与两个粒子纠缠在一起。如果你想要通过霍金辐射逃出黑洞,那么就必须解决这个矛盾。
摆脱这种量子困境的一种方法是召唤一道炽热的火墙。这个火墙刚好存在于黑洞事件视界内,可以打破任何掉进黑洞的粒子与辐射出去的伙伴粒子之间的纠缠。麻烦的是,这个火墙违背了爱因斯坦的广义相对论,该理论预测黑洞的事件视界不应该与周围的空间有任何不同。
另一种方法是利用与黑洞连接的虫洞。这些虫洞不是连接白洞,而是直接通往黑洞外边。虫洞的直径很。辉市淼ジ龌艚鸱涞墓庾油ü。这样就避免了火墙悖论和信息丢失的问题。信息在从这些虫洞中逃脱时是守恒的。更重要的是,粒子直接通过虫洞辐射出去,就不需要利用虚粒子对解释,从而不会违背量子纠缠的“一夫一妻制”原则。

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