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有些黑洞能抹掉你的过去,让你实现永恒?

漫步宇宙 2018-02-23 23:16:15 阅读:

在现实世界中,你的过去决定了你的未来。但加州大学伯克利分校的一位数学家发现了某些类型的黑洞,在这些黑洞中,这条定律失效了。如果有人冒险进入这些相对良性的黑洞,他们就能生存下去,但他们的过去将被抹杀,他们可能拥有无限的未来。

有些黑洞能抹掉你的过去,让你实现永恒?

视界一般被定义为黑洞的边界,任何物质,甚至光线,一旦进入视界范围,将无法逃逸。人类有可能平安无事地穿越一个巨型黑洞的外部边界或视界。本图片的数据由约翰•霍利使用超级计算机模拟获得,安德鲁•哈密尔顿使用模拟数据绘制得到了本图片。

在现实世界中,人类的过往决定着人类的未来。例如,如果一个物理学家知道宇宙起源的初始条件,她就能够通过计算预测出,宇宙在任何时间和任何空间条件下的情况和样子。(量子力学统治的微观世界不在此列)

但是,加州大学伯克利分校的一名数学家发现了一种特殊类型的黑洞,在这种黑洞中,以下这条物理定理将不成立:过去决定着现在,现在决定着未来。如果有人能够进入到这些相对温和的黑洞的内部,进入者能够生存下来,但是,进入者的过去、进入者的过往历史将会被抹杀,进入者将会因此而获得无数种可能性的未来。

强宇宙监督假说维护时空的因果性

已经有物理学家在以前的研究工作中提到过上述命题,他们提出了强宇宙监督假说,来对该命题进行解释。该假说认为,类似于恐怖性死亡等灾难事件,可以防止观测者实际进入一个特殊的时空区域,如果观测者能够进入这片特殊时空区域,观测者会发现,他们拥有了不确定的未来。这就破坏了时空的因果性,为此,这些物理学家假定宇宙中存在着某种形式的监督机制,这种监督机制会监督奇点或奇环,使之隐藏于事件视界的背后,防止出现裸奇异。这种监督机制背后的原理是,裸露的奇环或奇点能够向周围放出不确定的信息,破坏时空的因果性。换言之,裸奇异的出现将会使物理定律失效,导致观测者失去利用物理定律预言未来事件的能力,换句话说,裸奇异的出现将会影响物理时空的演化。

因此,只要监督机制能够确保奇点或奇环隐藏于事件视界的背后,就能够防止裸奇异的出现,就能够维护时空的因果性。物理学家罗杰•彭罗斯于四十多年前提出了强宇宙监督假说,罗杰•彭罗斯认为,对任何物理学理论来说,决定论都是神圣不可侵犯的、都是极为关键的。从人类过往及当前的研究工作来看,宇宙中的物理定理均不允许存在多个可能的未来。

有些黑洞能抹掉你的过去,让你实现永恒?

强宇宙监督假说意味着,存在一种宇宙监督机制,它会监督奇点或奇环,使之隐蔽于事件视界的背后。

但加州大学伯克利分校博士后研究员彼得•海因兹表示说,数学计算发现,类似人类所处的宇宙正在加速膨胀的过程当中,正在膨胀的宇宙中可能存在着某种特殊类型的黑洞,观测者如果进入这种黑洞,不仅不会死亡,而且还有可能从确定性世界进入非确定性的黑洞世界。

在未来无法预测的宇宙空间当中,生活将会是何种样子,真是难以想象。克雷数学研究所研究员彼得•海因兹说,爱因斯坦的广义相对论方程完美解释了宇宙的演化过程,我们通过数学计算得到的研究成果并不意味着爱因斯坦的广义相对论是完全错误的。

“物理学家无法进入一个黑洞并对黑洞进行测量研究。这是一个数学问题。从数学研究的观点来看,我们的研究成果使得爱因斯坦的广义相对论方程在数学上显得更加有趣,”他说:“研究人员可以放心地依靠广义相对论方程进行计算、进行研究,同时,这个方程也具有物理学、哲学方面的深刻内涵,该方程也因此在人们眼中显得很酷。”

葡萄牙里斯本大学的维托尔•卡多佐、若奥•科斯塔及基里亚科斯•德斯托尼斯、尼德兰乌得勒支大学的阿伦•詹森研究发现:“这一结论基本相当于广义相对论中决定论的严重失败,考虑到广义相对论的决定论在现代加速膨胀宇宙论中的重要地位,我们对这一研究发现绝对不可小觑。”以上人员同彼得•海因兹一起参加本次研究工作。

加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的加里•霍罗威茨并未参与本次研究工作,霍罗威茨在《物理世界》期刊的报道中称:“在我看来,这一研究提出很好的证据,证实强宇宙监督假说与引力论及电磁学存在着很大的不同。”

海因兹及其同事于2018年1月在美国科学期刊《物理评论快报》上发表了这篇关于奇异黑洞的论文。

有些黑洞能抹掉你的过去,让你实现永恒?

本图展示的是坠入黑洞的合理实际模拟过程,在坠落过程中,空间和时间会出现扭曲,随着坠落的观测者逐步接近黑洞内部或柯西视界,光线会出现蓝移现象,观测者抵达黑洞内部或柯西视界之后,时空会恢复到稳定状态,大部分物理学家认为,此时的观测者将会被湮没。但加州大学伯克利分校的数学家提出了与大部分物理学家不同的看法,伯克利的研究人员认为,观测者能够在穿越视界之后生存下来。本图片的数据由约翰•霍利使用超级计算机模拟获得,安德鲁•哈密尔顿使用模拟数据绘制得到了本图片。

穿越视界之后的奇异不确定世界

黑洞的引力极为强大,包括光线在内的任何物体都不能逃脱黑洞的引力,所以人们不能直接观测到黑洞,黑洞也因此而得名。黑洞之外的任何物体如果距离黑洞太近,如果越过了事件视界,将会坠入黑洞,永远不能离开。

即便是小型黑洞也会让靠得过近的观测者无法离开。事件视界附近存在的天体潮汐力非常强大,足以将靠得过近的任何物体撕成碎片,直至这些物体碎裂成为一个一个的原子。

在类似于银河系的很多星系的核心区域,潜藏着数以千万倍,甚至数十亿倍恒星质量的超级黑洞,对于这些超级黑洞来说,会发生一种极为诡异的情况:观测者能够平安无事地穿越超级黑洞的事件视界。

科学家认为,观测者在穿越超级黑洞事件视界的过程中,将从我们当前的现实世界转换进入黑洞世界之中,观测者可能能够在进入黑洞世界之后继续生存。物理学家及数学家长久以来非常希望了解黑洞世界到底是何种样子,他们利用爱因斯坦的广义相对论方程对黑洞的内部世界进行了研究预测。在黑洞中心,也就是事件视界向内很深的地方,广义相对论预言了时空弯曲将会变成了一个奇异点,时空弯曲在这个奇异点达到无穷大、引力也变得无穷大。在观测者抵达黑洞中心之前的坠落过程,爱因斯坦的广义相对论方程能够对黑洞的内部世界做出很好的预测,但是,观测者抵达黑洞中心或奇异点之后,爱因斯坦的广义相对论方程就失效了。方程失效的原因可能是,时空弯曲在奇异点达到无穷大。

柯西视界是现实世界因果性的分界点

黑洞观测者在抵达黑洞中心或奇异点之前,早已不可能与黑洞外部的世界继续保持通信交流,也无法将其对黑洞的观测发现通报给黑洞之外的人们,该观测者在到达奇异点之前,将会碰到一些奇怪、致命的里程碑事件。海因兹对一种特殊类型的黑洞进行了研究,该类型黑洞是一种标准、无旋转的带电黑洞,这种黑洞在事件视界内部存在着柯西视界。

柯西视界是现实世界因果性的分界点,也是决定论的失效点,具体来说就是,在柯西视界之外的世界,过去决定着未来,在柯西视界之内的世界,过去不再决定未来。包括彭罗斯在内的物理学家早已提出,观测者不可能穿越柯西视界,他们会在穿越过程中被湮没。

彭罗斯等物理学家认为,随着观测者逐步接近柯西视界,时间的流逝速度会在强引力场的作用下逐步变慢。光线、引力波及其他任何碰上黑洞的物体,都会不可避免地朝着柯西视界进行坠落,进入黑洞并同样朝着柯西视界坠落的观测者最终将会看到所有的能量在同一时间朝着柯西视界疯狂奔驰。在以上情况实际发生的过程中,该黑洞在宇宙的整个生命周期中所观测发现的能量将在同一时刻撞击到柯西视界,飞向柯西视界的观测者将在能量撞击轰击柯西视界的过程中遗忘掉过去的一切。

有些黑洞能抹掉你的过去,让你实现永恒?

这张时空图表显示的是,带电球形恒星在引力坍缩之后形成了一个带电黑洞。穿过事件视界的观测者最终将碰到柯西视界,柯西视界是一条分界线,可通过初始数据进行预测的时空区域终止于柯西视界,柯西视界以内的世界,未来将不再由过去决定。海因兹及其同事研究发现,类似于我们所处的加速膨胀的宇宙时空的初始数据,无法用于预测研究柯西视界之内的时空区域。这一发现违反了强宇宙监督假说的原理。

膨胀宇宙当中,可见之永恒并非永恒

海因兹认为,强宇宙监督假说在类似于我们所处的加速膨胀的宇宙时空中并不适用。在加速膨胀的宇宙当中,时空也在被加速撕裂,因为能量传播的速度无法超越光线,因此,大部分距离黑洞极为遥远的宇宙空间对黑洞并不会产生影响。

实际上,只有处在可观测视界之中的能量才能够坠入黑洞之中。可观测视界的含义是:黑洞在其存在过程中可以观测的宇宙的最大体积。我们不可能观测到或知道任何与我们没有因果关系的事物,对我们而言,在宇宙大爆炸之后,一些宇宙的部分可能由于距离地球太远,导致了其发出光线到现在为止也未能到达地球,所以这部分的宇宙可能仍然处在可观测宇宙之外。在未来,远处的星系发出的光线将会拥有更长的时间来穿越时空,所以现在我们不能观测到的一部分宇宙将会在未来被观测到。

对人类来说,可观测视界为138亿光年,其具体含义是,一个目前在138亿光年距离内发生的事件可以在不超过138亿年时间的未来被我们知晓并看到,但是超过138亿光年距离以外的事件即便是发生了138亿年时间之后,也永远不会被我们知道了。138亿光年的距离,包含了时间长度为138亿年的未来的一切事件。宇宙的年龄计算结果约为138亿年,但是由于宇宙膨胀,一些最开始十分接近地球的天体,现在却已经距离地球138亿光年,观测结果显示,可观测宇宙的直径大约为280亿秒差距,大约930亿光年,可观测宇宙的半径大约为465亿光年。因为宇宙的膨胀,我们无法观测到超越465亿光年距离之外的天体。

有些黑洞能抹掉你的过去,让你实现永恒?

哈勃超级深场图像:这是人类能够观测到的宇宙最大的尺度——宇宙视界

穿越柯西视界的观测者能够在这个未知不确定世界中实现永恒生存

在膨胀宇宙情景下,宇宙的膨胀效应将会部分抵消黑洞内部时间流逝速度变缓导致的增强效应,在某些情况下,宇宙膨胀甚至能够完全抵消时间变缓。莱斯纳-诺思通-德西特黑洞是一种特殊、光滑、非旋转、大电荷黑洞,海因兹等人研究认为,观测者能够在穿越莱斯纳-诺思通-德西特黑洞的柯西视界的过程中生存下来,并进入非确定性的黑洞世界。

“在这个非确定性的黑洞世界里,严密地存在着爱因斯坦广义相对论方程的运算结果,那里的一切物理现象都是光滑而正常的,不存在纠结、不存在无穷大的天体潮引力,在柯西视界及其之后的世界里面,万物都能够按照爱因斯坦广义相对论方程完美地运行,”海因兹强调说:“穿越莱斯纳-诺思通-德西特黑洞的柯西视界的过程将会很痛苦,同时这一痛苦过程的持续时间将很短暂。穿越柯西视界之后的物理学情况将非常难以预测研究,在类似于莱斯纳-诺思通-德西特黑洞的情形下,观测者能够避免终结于黑洞中央奇异点的命运,并在这个未知的世界中实现永恒生存。

海因兹承认,带电黑洞会吸引相反电荷物质,这一过程会导致带电黑洞变为中性,因此,带电黑洞很有可能并不存在。带电黑洞的数学解析结果被用作替代物,以研究普通旋转黑洞的内部情况。海因兹认为,被称为“克尔-纽曼-德西特黑洞”的光滑、带电、旋转的黑洞,也会出现同样的类似情况。

只要存在一个违反决定论的黑洞,就意味着决定论在宇宙中并不普遍适用

“这种发现让人感觉很奇怪,本来带电荷恒星坍缩之后成为黑洞这个想法就能够解释不少物理现象了,结果却出现了一个更为奇怪的现象,这就好比是,作为观测者的爱丽丝跑进了一个各项参数达到极值的黑洞,爱丽丝还成功穿越了该黑洞的柯西视界,成功生存下来之后还抵达了黑洞之中的一片宇宙区域,在这片区域中存在着恒星坍缩为黑洞之前的全部初始状态信息,但非常遗憾的是,由于黑洞的柯西视界之后的世界已经从确定性世界转变为非确定性世界,因此,作为观测者的爱丽丝将无法预测将来会发生什么事情,也就是说,爱丽丝的将来不再决定于爱丽丝的过去,因果性在非确定性世界里已经失效,”海因兹说:“初始状态的全部信息对将来情况不再起到决定作用。这就是该情况极其难以研究的原因。”

海因兹、卡多佐及其同事共同组成研究小组,发现了这些特殊类型的黑洞,他们对遭受引力波冲击的黑洞反应情况进行计算,并对持续时间最为长久的黑洞反应情况进行了重点研究。他们研究发现,在某些情况下,甚至是持续时间最长的反应频率也能够以极快的速度进行衰变,衰变速度之快,以至于能够防止冲击增强效应将柯西视界转变为一片死亡区域。只要柯西视界不是死区,观测者就有可能安全穿越黑洞的柯西视界。

海因兹等人的研究报告刺激其他研究人员发表了很多相关的研究论文,其中有一篇研究报告认为,大部分正常运动的黑洞不会违反决定论。但海因兹坚持认为,只要存在一个违反决定论的黑洞,就意味着决定论在宇宙中并不普遍适用。

“从上世纪九十年代中期以来,人们一直认为强宇宙监督假说在宇宙中是普遍成立的,人们在这一信念的支持下已经骄傲自满了大约20年时间,”海因兹说:“我们的研究成果对人们的这一信念提出了挑战,我们希望能够推动更多的人继续进行研究。”

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