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黑洞通往何處？（圖片來源：All About Space）

現(xiàn)在，你準(zhǔn)備好要跳入一個黑洞。如果你能想辦法活下來（盡管這困難重重），等待著你的是什么呢？如果你想方設(shè)法地要回頭，最終你會去到哪里，又會經(jīng)歷怎樣動人心弦的故事呢？

就像理查德·馬西（Richard Massey）教授所說的那樣，所有這些問題都有一個簡單的答案：“沒人知道。” 作為杜倫大學(xué)計算宇宙學(xué)研究所皇家學(xué)會的研究員，馬西深知宇宙充滿了未解之謎。“落入黑洞邊界其實就是跨入了未知世界——一旦掉進(jìn)去，沒人能夠發(fā)條訊息回來，”馬西說，“他們會被巨大的引力撕成碎片，所以我不相信有人掉進(jìn)黑洞之后，還能去別的什么地方。”

如果這個答案聽起來令人失望，這也是意料之中的。在愛因斯坦的廣義相對論根據(jù)時空和引力的關(guān)聯(lián)預(yù)言出黑洞之后，人們知道黑洞源自大質(zhì)量恒星死亡后遺留的小而致密的核心。如果這個核心的質(zhì)量超過太陽的3倍，在巨大的引力作用下它會發(fā)生坍縮，直至所有物質(zhì)匯聚到一個點（也就是奇點），而這個奇點就是黑洞密度無限大的核心。

由此產(chǎn)生的黑洞有著巨大的引力，甚至連光都無法逃離它。德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）提出了“事件視界”（event horizon）的概念：一旦光線或物質(zhì)越過事件視界，就永遠(yuǎn)無法逃脫了。根據(jù)馬西的解釋，接近黑洞時，你的身體會因潮汐力作用被劇烈拉伸（也被稱為“意大利面化”），最終到達(dá)奇點。至于你會出現(xiàn)在另外什么地方——比如黑洞另一面——的想法，看起來都只是天方夜譚。

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如果是蟲洞呢？

多年來，科學(xué)家一直在探索，黑洞是否有可能成為通向其他星系的蟲洞。有人甚至猜測，蟲洞可以通向另一個宇宙。

這種想法的產(chǎn)生已經(jīng)有些時日了。早在1935年，愛因斯坦就與內(nèi)森·羅森（Nathan Rosen）合作提出相關(guān)理論，認(rèn)為宇宙中可能存在連接兩個不同時空的隧道。但直到20世紀(jì)80年代，這種理論才流行起來。當(dāng)時，天體物理學(xué)家基普·索恩（Kip Thorne）推動了一場討論，主題就是物體是否能穿越蟲洞。

馬西表示：“當(dāng)我還是個孩子的時候，我讀了基普·索恩關(guān)于蟲洞的暢銷書，這本書讓我對物理產(chǎn)生了興趣。”不過，現(xiàn)在看來蟲洞似乎并不存在。

索恩曾是好萊塢電影《星際穿越》的科學(xué)顧問，他在自己的著作《星際穿越中的科學(xué)》一書中寫道：“我們沒能在任何天體衰老的過程觀察到蟲洞的存在。”索恩表示，穿越這些理論隧道的時空旅行很可能只存在于科幻小說中，根本沒有可靠證據(jù)能表明黑洞允許這樣的穿越。

然而問題是，我們沒辦法接近并親自觀察它們。我們甚至無法拍攝黑洞內(nèi)部的任何照片——既然光線無法逃脫黑洞的巨大引力，那么相機根本無法捕捉其中的影像。目前的理論表明，任何越過事件視界的物體都會成為黑洞的一部分。更重要的是，由于事件視界附近的時間也彎曲了，這一過程會變得極其緩慢，因此我們沒辦法很快得到答案。

“我認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的故事答案是黑洞會通向時間的終結(jié)，” 哈佛大學(xué)天文學(xué)教授道格拉斯·芬克拜納（Douglas Finkbeiner）說，“一個遙遠(yuǎn)的觀察者無法看到自己的宇航員朋友是如何落入黑洞的。由于引力的紅移效應(yīng)，我們觀察到的接近事件視界的一切都會不斷變紅、變暗淡。但這位朋友最終會落入黑洞，去到一個超越‘永遠(yuǎn)’的地方，無論那意味著什么。”

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也許黑洞能通向白洞

誠然，如果黑洞能夠通往星系的另一端或者另一個宇宙，那么出口需要有與黑洞相反的東西。那會是白洞嗎？俄羅斯宇宙學(xué)家伊戈爾·諾維科夫（Igor Novikov）在1964年提出了白洞理論，他認(rèn)為一個黑洞連接著一個存在于過去的白洞。與黑洞相反，光和物質(zhì)能夠離開白洞，但是無法進(jìn)入。

科學(xué)家一直都在探索黑洞與白洞之間的潛在聯(lián)系。2014年，物理學(xué)家卡洛·羅維利（Carlo Rovelli）和哈爾·M·哈加德（Hal M. Haggard）在一項發(fā)表于《物理學(xué)評論D》上的研究中闡述道：“有一個經(jīng)典度量可滿足有限時空區(qū)域之外的愛因斯坦方程，在那里物質(zhì)坍縮成黑洞，然后又從白洞中出現(xiàn)。” 換句話說，黑洞吞下的所有物質(zhì)都可能被拋出，而黑洞死亡后有可能變成白洞。

黑洞的坍縮并不會破壞其中的信息，相反它會經(jīng)歷一次量子反彈，允許所有的信息逃逸。如果事實如此，這就能在一種程度上解釋斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）曾經(jīng)提出的理論。20世紀(jì)70年代，霍金探討了由于量子漲落而導(dǎo)致黑洞釋放粒子和輻射的可能性。

芬克拜納說：“霍金認(rèn)為黑洞的壽命是有限的。”1976年，霍金在《物理學(xué)評論D》上發(fā)表了相關(guān)論文。根據(jù)他的計算，黑洞會因為輻射而損失能量、收縮并最終消失。因為霍金提出黑洞發(fā)射的輻射是隨機的，并且不包含任何落入其中的信息，黑洞的爆發(fā)將抹去大量信息。

這意味著霍金的想法與量子理論相矛盾，因為量子理論認(rèn)為信息是守恒的。如果信息會丟失，那信息搜索就更加艱難，過去和未來也無從知曉。霍金的想法導(dǎo)致了“黑洞信息悖論”的出現(xiàn)，這個悖論長期困擾著科學(xué)家。有人說霍金根本是錯的，而霍金本人甚至也在2004年都柏林的學(xué)術(shù)會議上宣稱他犯了錯，并推翻了自己原來的想法。

所以，我們是否又回到了之前討論的概念，即黑洞吸收的信息都會通過白洞拋出？或許事實正是如此。在2013年發(fā)表于《物理學(xué)評論快報》的一篇論文中，美國路易斯安那州立大學(xué)的若熱·普林（Jorge Pullin）和烏拉圭共和國大學(xué)的魯?shù)婪颉じ寿e（Rodolfo Gambin）基于圈量子引力理論（loop quantum gravity）對黑洞進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)越接近中心引力越大，但穿過中心后引力變?nèi)酰魏温淙牒诙吹氖挛锒紩谟钪娴牧硪欢吮粧伋觥＿@項研究支持了黑洞只是個入口的假說。在這項研究中，奇點不存在，所以落入黑洞的事物不會因為撞上奇點而毀滅。這也意味著，信息不會消失。

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也許黑洞不通往任何地方

但是物理學(xué)家艾哈邁德·阿爾姆海里（Ahmed Almheiri）、唐納德·馬洛夫（Donald Marolf）、約瑟夫·波欽斯基（Joseph Polchinski）和詹姆斯·蘇利（James Sully）仍然相信，基于霍金的理論可以有進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)。這4位科學(xué)家提出了AMPS火墻（或稱黑洞火墻）理論。根據(jù)他們的計算，量子力學(xué)可以將事件視界變成一堵巨大的火墻，任何接觸到它的東西都會立刻燃燒殆盡。從這個意義上講，黑洞不通往任何地方，因為甚至沒有東西可以進(jìn)入黑洞。

然而，這一理論與愛因斯坦的廣義相對論相悖。根據(jù)相對論中的等價原理（equivalence principle），穿過事件視界的物體（或人）不會受到極端引力的影響，可以輕松落入黑洞。火墻理論可能遵循了目前宇宙中黑洞以外區(qū)域的物理學(xué)定律，但即便不違背相對論，它也破壞了量子場論，并暗示信息是可以丟失的。

潮汐瓦解事件的藝術(shù)想象圖。當(dāng)恒星過于靠近超大質(zhì)量黑洞時，黑洞的潮汐力會將其撕裂。（圖片來源：All About Space）

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黑洞充滿了不確定性

讓我們的話題再次轉(zhuǎn)向霍金。在2014年發(fā)表的研究中，霍金回避了“事件視界”這一說法，而是提出引力坍縮會產(chǎn)生“表觀視界”（apparent horizon），這意味著沒有任何東西會因視界而燃燒。

表觀視界會阻止光線離開黑洞中心，并持續(xù)“一段時間”。在霍金的新理論中，表觀視界只是暫時困住物質(zhì)和能量，但最終，表觀視界會消失，并釋放物質(zhì)、能量。這一解釋支持了認(rèn)為信息不會消失的量子理論，如果能得到證明，這就意味著任何事物都可以從黑洞中逃脫。

霍金甚至更進(jìn)一步，認(rèn)為黑洞或許并不存在。他寫道：“黑洞的中心不存在奇點，黑洞應(yīng)該被重新定義為引力場的亞穩(wěn)定束縛態(tài)。”由于引力作用，表觀視界內(nèi)的物質(zhì)會逐漸向內(nèi)移動，但永遠(yuǎn)不會坍縮到中心。

然而，任何被釋放出來的信息都不再是它們被吞噬前的樣子。我們無法通過被釋放的信息還原它們進(jìn)入時的狀態(tài)，這也會引起問題——尤其是當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)自己正置身于這樣一個令人驚慌的處境之中。他們再也沒法跟以前一樣了！

可以肯定的是，這個奇妙的謎團(tuán)還會困擾科學(xué)家很久。羅維利和弗朗西絲卡·維多托（Francesca Vidotto）最近提出，暗物質(zhì)的成份之一可能是黑洞蒸發(fā)后的殘留物。2018年，霍金的一篇關(guān)于黑洞和“軟毛”（soft hair）的論文被發(fā)布。“軟毛”是黑洞事件視界上的光子，它們會儲存落入黑洞的物質(zhì)的信息。但由于事件視界的存在，這些信息從外部看來好像全部消失了。

這與物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler）提出的無毛定理（no-hair theorem）截然不同。無毛定理的基礎(chǔ)是觀察者無法區(qū)分兩個不同的黑洞，因為黑洞的性質(zhì)僅由質(zhì)量、角動量和電荷這3個物理量確定，而其他信息（毛發(fā)）全部消失了。這個理論已經(jīng)引起了科學(xué)家的討論，但是距離解答“黑洞通往何處”的問題，還有很長的路要走。

原文鏈接：

https://www.livescience.com/where-do-black-holes-lead.html

文章來源：環(huán)球科學(xué)

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掉入黑洞會怎樣？被拉成"面條"，還是前往另一個宇宙？