黑洞吞噬的物质未来可能被重新抛出

文章作者:管理一号 | 2019-01-05
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北京时间12月20日消息,黑洞宇宙中最神秘的事物之一,它们所的时空结构扭曲得如此厉害,以至于光线都无法逃脱。依据爱因斯坦的广义相对论,黑洞中心存在一个奇点,在那里,许多恒星的质量被挤压到了体积接近于0的地方。但是,12月10日分别发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)和《物理评论D》(Physical Review D)的两篇论文或许会让科学家重新思考我们对黑洞的认知。研究人员在论文中指出,黑洞可能不会永远存在,我们对它们的本质及其中心的猜测或许是完全错误的。

爱因斯坦物理学的边界

长期以来,一直都有天文学家和物理学家认为奇点的观点是错误的。假如一个物体具有质量但没有提及,那它就具有无限大的密度。而且,尽管研究者时不时会到“无限”(infinity)这个词,但类似的无限在自然界中是不存在的。相反地,当你在真实的物理学问题中遇到“无穷大”或“无限大”时,它真正的含义是你已经把数学方法推到了它们的应用领域之外。你需要新的数学。

这样的例子并不少见。牛顿的引力定律指出,引力的大小与质量乘积成正比,与距离的平方成反比。因而,假如你拿着一个球远离地球,那它就会“感受”到一定的重量;然后,当你把球靠近地球,这一重量就会逐渐增加。把引力定律的方程推到极限,即随着你把球无限靠近地球中心,那理论上它就会受到无限大的引力。但是,事实上并非如此。

当你把物体靠近地球表面时,牛顿的引力定律就不再适用。你必须考虑地球质量的实际分布,而这意味着你需要采用多个更加复杂的方程来预测不同的结果。类似的,当爱因斯坦的广义相对论预测在黑洞中心存在一个密度无限大的奇点时,真实情况就不可能是这样。在十分小的尺度上,科学家需要引入新的引力理论,这一理论就是所谓的“量子引力”。

简单来说,量子引力的含义就是“在最小尺度上的引力”,但这一术语并不代表某个特定的理论。不过,科学家现已提出了一些特定的理论建议,描述微观宇宙中的引力作用。其中一个建议称为“圈量子引力论”(loop quantum gravity)。

圈量子引力在数学上已经有了明确定义,它将时空结构描述为自旋网络的晶格,随着时间推移而演化。自旋网络只是一个描述粒子和场如何相互作用的数学公式。从更实际的角度来看,圈量子引力论预测时空是量子化的,或许存在一个最小的时间或空间单元,使时空结构无法再细分下去。

奇点还是白洞

圈量子引力论是一个很难处理的数学理论,它阻止了研究者对黑洞内部做出可测试的预测。然而,宾夕法尼亚州立大学的阿贝·阿什克塔(Abhay Ashtekar)和哈韦尔·奥尔梅多(Javier Olmedo),以及路易斯安那州立大学的帕姆普利特·辛格(Parampreet Singh)将圈量子引力论应用在了黑洞中心。他们宣称,结果表明那里不是奇点。

他们的计算预测称,时空在黑洞中心附近强烈弯曲;由此导致的结果是,时空会在未来进入一个有着“白洞”结构的区域。所谓的“白洞”就像反向的黑洞,它不像黑洞那样会吞噬物质,而是将物质抛射出来。

我们或许还可以用另一种方式来想象他们的预测结果。众所周知,在强大的引力场里,时间会减慢;而黑洞就拥有宇宙中最强大的引力场。因此,我们可以这么来解释这项新研究,即物质进入黑洞之后又被“弹回”,其质量被抛射到宇宙之中。由于黑洞中心附近的时间如此缓慢,这一“弹回”过程需要大量的时间。如果研究人员是对的,那么在遥远的未来,科学家或许能发现在今天黑洞所处的位置,物质将不断喷涌而出,散布到宇宙各处。

当然,在理论科学中,研究者们提出了太多有趣且吸引眼球的观点,但后来都被事实否定了。这项新工作也可能如此。重要的是,是否能为诸如此类的理论观点找到实验性的支持。

可能性还是有的,尽管很少。科学家已经在太空中观测到了一些非常高能的现象,但尚未对其做出完全的解释。一种现象是冲击地球大气层的高能宇宙射线,另一种现象则是所谓的“快速射电暴”(fast radio burst)。快速射电暴也是一种高能天体物理现象,是指遥远宇宙中突然出现的短暂而猛烈的无线电波暴发,持续时间极短。这两种现象至少在原理上可能成为黑洞转变成白洞的标志。

现在接受这一有趣的新观点显然还为时尚早,相反,谨慎的做法应该是看看加下来应用圈量子引力的计算是如何展开的。如果预测结果有所改进,并且开始更适用于一些不能解释的天文现象,那么新的结果就既能解释量子引力发挥作用的原理,而且能重塑我们对宇宙过去和未来的理解。

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