黑洞旅行

如果信息是守恒的,利用黑洞到另一个世界旅行是不可能。
——霍金(2004年7月21日)

霍金

落到黑洞中去是科学幻想中恐怖的一幕。现在黑洞已被说成是科学的现实,而非科学的幻想。我们有很充足的理由预言黑洞必然存在。观测证据已强烈地显示,我们所在的银河系中有黑洞,而在其他星系中则更多。

当然,科幻作家真正做到家的是,将为你描述如果你真的掉进黑洞将会发生什么。如果黑洞在旋转的话,你可穿过时空的一个小洞而到宇宙的另一个区域去,这显然产生了空间旅行的可能性。如果我们要想到别的恒星(且不说到别的星系)去旅行在未来成为现实,这倒是我们梦寐以求的途径。没有东西可比光旅行得更快这一事实意味着,即使到最邻近的恒星,来回路途也至少需要花八年时间,这就是到α-半人马座度周末所需要的时间!另一方面,如果人们能穿过一颗黑洞,就可在宇宙中的任何地方重新出现。怎么选取你的目的地还不很清楚。最初你也许想到处女座度假,结果却到了蟹状星云。

非常遗憾地告诉未来的星系旅行家们,我认为这个场景是行不通的。如果你跳进一颗黑洞,就会被撕成粉碎。然而,在某种意义上,构成你身体的粒子会继续跑到另一个宇宙中去。我不清楚,某个在黑洞中被压成意大利面条的人,如果得知他的粒子也许能存活的话,是否对他是很大的安慰。

尽管我在这里采用了稍微轻率的语气,却是基于可靠的科学作根据。我在这里讲的大部分现在已得到在这个领域作研究的其他科学家的赞同,尽管这是发生在新近的事,它引起了巨大的兴趣和激动。

我们现在称作黑洞的概念可以回溯到二百多年前,“黑洞”这个名字是晚到1967年才由美国物理学家约翰•惠勒提出来的。这真是一项天才之举:这个名字本身就保证黑洞进入科学幻想的神秘王国。为原先没有满意名字的某种东西提供确切的名字也刺激了科学研究。在科学中不可低估好名字的重要性。

首先讨论黑洞的是一位名叫约翰•米歇尔的剑桥人,他在1783年写了一篇有关的论文。他的思想如下:假设你在地球表面上向上点燃一颗炮弹。在上升的过程中,其速度由于引力效应而减慢,最终会停止上升而落回到地球上。然而,如果它的初速度大于某个临界值,它将永远不会停止上升并落回来,而是继续向外运动。这个临界速度称为逃逸速度。地球的逃逸速度大约为每秒7英里(7.9千米),太阳的逃逸速度大约为每秒10英里(11.2千米)。这两个速度都比实际炮弹的速度大,但是它们比起光速来就太小了,光速是每秒186000英里(30万千米)。这表明引力对光的影响甚微,光可以毫无困难地从地球或太阳逃逸。可是,米歇尔推论道,也许可能有这样的一颗恒星,它的质量足够大而尺度足够小,这样它的逃逸速度就比光速还大。因为从该恒星表面发出的光会被恒星的引力场拉曳回去,所以它不能到达我们这里,因此我们不能看到这颗恒星。然而,我们可以根据它的引力场作用到附近物体上的效应检测到它的存在。

把光当作炮弹处理是不自洽的。根据在1887年进行的一项实验(指迈克尔孙与莫雷“探测以太漂移”的实验),光线总是以恒常速度旅行。那么引力怎么能使光线减慢呢?直到1915年爱因斯坦提出广义相对论后,人们才有了引力对光线效应的自洽理论。本世纪60年代,人们已广泛意识到这个理论对老的恒星和其他重质量物体的含义。

根据广义相对论,空间和时间一起被认为是形成称作“时空”的四维空间。这个空间不是平坦的,被在它当中的物质和能量所畸变或者弯曲。在向我们传来的光线或者无线电波在太阳附近受到的弯折中可以观测到这种曲率。在光线通过太阳邻近的情形时,这种弯折非常微小。然而,如果太阳被收缩到只有几英里的尺度,这种弯折就会厉害到这种程度,即从太阳表面发出的光线不能逃逸出来,它被太阳的引力场拉曳回去。根据相对论,没有东西可以比光旅行得更快,这样就存在一个任何东西都不能逃逸的区域,这个区域就叫做黑洞。它的边界称为事件视界,是由刚好不能从黑洞逃出而只能停留在边缘上徘徊的光线形成的。

太阳能收缩到只有几英里的尺度,听起来似乎是不可思议的。人们也许认为物质不可能被压缩到这种程度,但实际上这是可能的。

太阳具有现有的尺度是因为它是热的,它正在把氢燃烧成氦,如同一颗受控的氢弹。这个过程中释放出的热量产生了压力,这种压力使太阳能抵抗得住自身引力的吸引,正是这种引力使得太阳尺度变小。

然而,太阳最终会耗尽它的燃料。这要发生也是在再过大约五十亿年以后的事,所以不必焦急订票飞到其他恒星去。然而,具有比太阳更大质量的恒星会更迅速地耗尽其燃料。在燃料用尽后就开始失去热量并且收缩。如果它们的质量比太阳两倍还小,最终会停止收缩,并且趋向于一种稳定的状态。这样的状态之一叫作白矮星,具有几千英里的半径和每立方英寸几百吨的密度。另一种状态是中子星,具有大约十英里的半径和每立方英寸几百万吨的密度。

霍金

史蒂芬•霍金在演讲

在银河系我们紧邻的区域观察到大量的白矮星。然而,直到1967年约瑟琳•贝尔和安东尼•赫维许在剑桥才首次观测到中子星。那时他们发现了称作脉冲星的发出射电波规则脉冲的物体。最初,他们惊讶是否和外星文明进行了接触。我的确记得,在他们要宣布其发现的房间里装饰了“小绿人”的图样。然而,他们和所有其他人最后只能得出不太浪漫的结论,这些物体原来是旋转的中子星。对于擅长描写太空西部人的作家,这是个坏消息。而对于我们这些当时相信黑洞的少数人,却是个好消息。如果恒星能缩小到十至二十英里的尺度,而变成中子星,人们便可以预料,其他恒星能进一步收缩而变成黑洞。

质量大约比太阳两倍还大的恒星不能稳定成为一颗白矮星或中子星。在某种情形下,该恒星可以爆炸,并抛出足够的质量,使余下的质量低于这个极限。但是总有例外。有些恒星会变得小到使它们的引力场会把光线弯折而回到恒星本身上去,不管是光线还是别的任何东西都不能逃逸出来。那么这颗恒星就已经变成一个黑洞了。

物理定律是时间对称的。如果存在能落进去东西而不能再跑出来的称作黑洞的物体,那就还应该存在能让东西跑出来而不能落进去的其他物体,人们称这类物体叫做白洞。可以猜测,一个人可以在一处跳进一个黑洞,而在另一处从一个白洞跑出来,这应是早先提到长距离空间旅行的理想手段。你所需要做的一切是去寻找一个邻近的黑洞。

这种形式的空间旅行初看起来是可能的。爱因斯坦的广义相对论中存在这类解,它允许人往一个黑洞落进再从一个白洞跑出来。然而,后来的研究表明,所有这些解都是非常不稳定的:最为微小的扰动,譬如讲空间飞船的存在都会把这个“虫洞”,或者从该黑洞到该白洞的通道消灭。该空间飞船会被无限强大的力量撕得粉碎。这正如同躲藏在大桶里从尼亚加拉瀑布漂下去一样。

事情似乎已经绝望。黑洞也许可以用来摆脱垃圾甚至人们的某些朋友。但是它们是“旅行者有去无归的国度”。然而,我到此为止所说的一切都是根据爱因斯坦的广义相对论所进行的计算,这个理论和我们迄今的一切观测都吻合得极好。但是,由于它不能和量子力学的不确定性原理合并,所以我们知道它不可能完全正确。不确定性原理是说,粒子不能同时把位置和速度都很好地定义。你把一颗粒子的位置测量得越精确,则对它的速度就测量得越不精确,反之亦然。

辐射是如何从黑洞的引力场中逃逸出来的呢?我们有好几种办法来理解。虽然它们显得非常不同,其实是完全等效的。一种方法是,不确定性原理允许粒子在短距离内旅行得比光还快,这就使得粒子和辐射能穿过事件视界从黑洞逃逸。然而,从黑洞出来的东西和落进去的东西不同,只有能量是相同的。

随着黑洞释放粒子和辐射,它将损失质量。这将使黑洞变得越来越小,并更迅速地发射粒子,最终会达到零质量并完全消失。对于那些落入黑洞的物体,还可能包括空间飞船都会发生什么呢?根据我的一些最新的研究,答案是,它们会出发到它们自身的微小的婴儿宇宙中去。—个小的自足的宇宙从我们的宇宙区域分叉开来。这个婴儿宇宙可以重新连接到我们的时空区域。如果发生这种情形的话,它在我们看来显得是另外一个黑洞形成并随后蒸发掉。落进一个黑洞的粒子会作为从另一个黑洞发射的粒子而出现,反之亦然。

这听起来似乎正是允许通过黑洞进行空间旅行所需要的。你只要驾驶你的空间飞船进入适当的黑洞,最好是相当巨大的黑洞。否则的话,在你进入黑洞之前引力就已经把你撕成意大利面条。你可望在另外一个黑洞外面重新出现,虽然你不能选择是在什么地方。

 

本文作者霍金(Stephen Hawking)是英国剑桥大学物理学教授,其著名的“黑洞旅行”思想,曾引起一股科幻热。

2004年7月21日,在爱尔兰都柏林举行的第17届国际广义相对论和引力大会上,坐在轮椅上的霍金,用他带有金属混响的人工合成声音宣称:“假如你跳入黑洞,你的质量和能量将会回到我们的宇宙,但是以一种彻底分化与瓦解的形式出现。它含有的信息正如你原来所拥有的那样,但是它是以不能加以辨别的状态出现的。”从而否走了他1994年在英国剑桥大学艾萨克•牛顿数学研究所演讲中的说法。但《黑洞旅行》毕竟是人类对科学认识的一个脚印,由此也反映了一名大科学家敢于修正“错误”,善于进取的科学态度。霍金坦诚地表示:“如果信息是守恒的,利用黑洞到另一个世界旅行是不可能的。为此,我向科幻小说迷们道歉!”

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发布时间:2012/6/2 下午4:34:17  阅读次数:6900

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