书城科普读物黑洞(科学探究丛书)
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第10章 黑洞学说的确立(4)

自从在史瓦西解中发现了虫洞,物理学家们就开始对虫洞的性质感到好奇。我们先来看一个虫洞的经典作用:连接黑洞和白洞,成为一个爱因斯坦-罗森桥,将物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子,然后通过这个虫洞(即爱因斯坦-罗森桥)被传送到这个白洞的所在,并且被辐射出去。

当然,前面说的仅仅是虫洞作为一个黑洞和白洞之间传送物质的道路,但是虫洞的作用远不只如此。

黑洞和黑洞之间也可以通过虫洞连接,当然,这种连接无论是如何的牵强,它还是仅仅是一个连通的“宇宙监狱”。

虫洞不仅可以作为一个连接洞的工具,它还在宇宙的正常时空中出现,成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道。

虫洞没有视界,它有的仅仅是一个和外界的分解面。虫洞通过这个分解面和超空间连接,但是在这里时空曲率不是无限大。就好比在一个平面中一条曲线和另一条曲线相切,在虫洞的问题中,它就好比是一个四维管道和一个三维的空间相切,在这里时空曲率不是无限大。因而我们现在可以安全地通过虫洞,而不被巨大的引力所摧毁。

那么虫洞都有些什么性质呢?

最主要的一个,是相对论中描述的,用来作为宇宙中的告诉火车。但是,虫洞的第二个重要的性质,也就是量子理论告诉我们的东西又明确的告诉我们:虫洞不可能成为一个宇宙的告诉火车。虫洞的存在,依赖于一种奇异的性质和物质,而这种奇异的性质,就是负能量。只有负能量才可以维持虫洞的存在,保持虫洞与外界时空的分解面持续打开。当然,狄拉克在芬克尔斯坦参照系的基础上,发现了参照系的选择可以帮助我们更容易地来分析物理问题。同样的,负能量在狄拉克的另一个参照系中,是非常容易实现的,因为能量的表现形式和观测物体的速度有关。这个结论在膜规范理论中同样起到了十分重要的作用。根据参照系的不同,负能量是十分容易实现的。在物体以近光速接近虫洞的时候,在虫洞的周围的能量自然就成为了负的。因而以接近光速的速度可以进入虫洞,而速度离光速太大,那么物体是无论如何也不可能进入虫洞的。这个也就是虫洞的特殊性质之一。

但是虫洞并没有这么太平。前面说的是在安静的相对论中的虫洞,在暴躁的量子理论中,虫洞的性质又有了十分重要的变化。

我们想先来看在黑洞中的虫洞,也就是史瓦西喉和奇点周围形成的子宇宙。

黑洞周围的量子真空涨落在黑洞巨大引力的作用下,会被黑洞的引力能“喂”大,成为十分的能量辐射。这种能量会毫不留情地将一切形式的虫洞摧毁。

在没有黑洞包围的虫洞中,由于同样的没有黑洞巨大引力的“喂养”,虫洞本身也不可能开启太久。虫洞有很大几率被随机打开,但是有更大的几率突然消失。虫洞打开的时间十分短,仅仅是几个普朗克时间。在如此短的“寿命”中,即使是光也不可能走完虫洞的一半旅途,而在半路由于虫洞的消失而在整个时空中消失,成为真正的四维时空组旅行者。

而且,在没有物体通过虫洞的时候,虫洞还比较“长寿”,而一旦有物体进入了虫洞,如果这个物体是负能量的,那么还好,虫洞会被撑开;但是如果物体是正能量的,那么虫洞会在自己“自然死亡”以前就“灭亡”掉。而在宇宙中,几乎无时无刻不存在能量辐射通过宇宙的每一个角落,而这些辐射都是正能量的,因此几乎可以肯定,在自然情况下是不存在虫洞的。

那么虫洞是如何产生的呢?

虫洞的自然产生机制有两种:其一,是黑洞的强大引力能;其二,是克尔黑洞的快速旋转,其伦斯-梯林效应将黑洞周围的能层中的时空撕开一些小口子。这些小口子在引力能和旋转能的作用下被击穿,成为一些十分小的虫洞。这些虫洞在黑洞引力能的作用下,可以确定它们的出口在那里,但是现在还不可能完全完成,因为量子理论和相对论还没有完全结合。

黑洞新说

在天文观察上,有关黑洞的新观念和正统黑洞理论两者对黑洞的描绘很难区分,这就使对它们的验证很难——但这并非不可能。引力波应该能揭示围绕黑洞的时空形状。正统理论所理解的黑洞,是一个没有真实表面的简单物体,它只具有两种可能的形状。因而,在目前已经开始运作的那些引力波观测站中,只要有一个站点能发现有与此不同的形状,现在的物理学理论格局就将面临一次大地震。

对此,另一种新观点走得更远:暗能量物质不仅可能会冻结,而且这将使相对论崩溃。这种观点近年来成了量子引力理论的一匹黑马。该观点的支持者们宣称,在物理学基本规律与物质液态和固态(固态也被看做物质的凝缩态)行为特性之间有相同之处。广义相对论无法给出声音在运动的液体里进行传播的方程式;声波在液体里被截留,很大程度上类似于光在黑洞里被截留。也许,时空可以被形象地描绘为一种液体。

凝缩态物质的行为是集体性的,单个分子的特性几乎不起什么作用;系统的特征只有在集体行为发生后才显现出来。比如当水凝结时,分子并不改变,但集体行为却发生了改变,因而原本适用于液体的定律就不再起作用。在适当条件下,液体会转化为受量子力学支配的“超液体”,甚至在宏观尺度下也是如此。

在这个问题上,夏皮林与其他几位来自斯坦福大学的物理学家如埃文·霍尔菲尔德和罗伯特·劳克林等人都认为,在事件视界中有类似的现象发生。相对论方程式不再有效,新的定律出现了。夏皮林说:“如果我们把时空看做一种超液体,那么很自然,在事件视界上其实可以认为是发生了某种物理现象——也就是说,正统的视界观念可由量子相变概念来取代。”黑洞能摧毁恒星,产生高能辐射,弯曲时空结构——通过天文观察,不难看到它们巨大吸引力所造成的种种奇异天文现象。但最不可思议的是:“奇点”究竟是什么?在关于黑洞的经典看法中,其他物质进入黑洞视界,即落入黑洞奇点中,一切就完了,里面再发生什么永远无从知道。

当然从相对论看来,那里并没有什么特殊的事情发生:物理学规律在任何地方都是一样的。对量子力学而言,事件视界的概念则是完全荒谬的。视界概念竟然允许信息从我们的世界中丧失,这种丧失是量子理论不承认的。美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验所的物理学家夏皮林说:“你在学校里学到的有关黑洞的一切几乎都是错误的,因为正统物理学的黑洞时空观与量子力学不一致。”

于是,对黑洞的新解取消了事件视界概念。按照这种新观点,当其他能阻止恒星坍塌的因素都失败时,事实上仍存在着一种阻止恒星坍塌的力,这就是引力本身,因为在特定状态的物质中,引力会转化为一种排斥力。这也被称为“暗能量”,据认为这就是推动宇宙加速膨胀的力量。

关于黑洞的新观点改变了相对论奠定的传统概念,提出新主张的科学家说,“你在学校里学到的有关黑洞的一切几乎都是错误的,因为正统物理学的黑洞时空观与量子力学不一致”

关于黑洞,经典的观点把它描绘为在自身的重力作用下向内坍塌的恒星的残余物,一个密度无限大的奇点,能把恒星、光等各种各样的物质吞噬掉;在黑洞的周围有一个事件视界,该视界标志着黑洞的势力范围,一旦黑洞外面的物质落入其中就有去无回。

而一些标新立异的研究者们,在过去数年间提出了与传统思想迥异的观点,认为黑洞事实上也是具有广延的巨大物体,是由恒星坍塌过程中产生的一种奇异态的,如液体冻结成冰似的凝结物质构成的;黑洞其实是一个由暗能量构成的“黑星”,被吸进去的物质事实上是在高密度的“黑星”球体上崩解了。这种观点为量子引力理论提供了一种富有启发性的新思路。