斯蒂芬·霍金传

掉进黑洞也可能逃脱

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爱因斯坦的广义相对论告诉人们,引力会导致时空扭曲,当一颗超大质量的恒星即将消亡的时候就会产生塌缩,引力场随之也会变得异常强大,这种强大的引力场会吸收所有经过它的物质,包括光线,这就形成黑洞。黑洞对于科学家来说,一直是一个需要不断探索的未解之谜;对于普通人来讲,更是带有诸多的神秘色彩。因此有人会问,如果人掉进黑洞会面临什么样的情况?是被撕成碎片,还是能够安然无恙地逃脱?这也是一个一直困扰人类的谜题。不过,霍金解释,掉进黑洞,并不一定意味着死亡,也许可能会逃脱,不过你的命运也许会因此变得更加怪异和神奇。

在解释这一观点之前,我们先做个假设:假设有一对朋友分别是甲和乙,当甲掉入到黑洞当中之时,乙恰好能够亲眼看到这诡异的一幕。

从乙的角度来看,甲所经历的一切都会变得极为神奇和怪异。当甲不断向黑洞的边界靠近,乙会看到甲的身体不断被拉伸、扭曲,这就如同通过一个凹凸不平的放大镜来看一个人一样。当甲越来越靠近黑洞的边界之时,速度也相应越来越慢;当到达了边界点,乙会看到甲变得静止,仿佛一切就此被按下了停止键;然后甲就静止在那里,身体被不断拉伸,并被炙热的火焰所吞噬。所以,在乙看来,甲这个时候已经慢慢消失,甚至在其穿越黑洞边界之前就已经被烧为灰烬。

这是从乙的角度来看甲掉进黑洞的过程,我们换一个角度,暂时将乙放到一边,从甲本身来看待这件事情,是不是会有所区别呢?答案是肯定的。当甲向未知的黑洞靠近时,他不会有任何的不适,没有拉伸、也没有快慢的变化和可怕的火焰。因为根据爱因斯坦的理论,甲当时正处在自由的落体运动当中,没有任何重力,而且黑洞的边界并非一面实实在在的墙,而是透明无形的。乙无法忽视它,但是甲根本感受不到它的存在,就这样,甲进入到了黑洞当中。当然,如果甲进入的是一个足够大的黑洞,那么他可以安然地度过余生,直到他到达黑洞的奇点时死亡,但是他无法出来。因为甲进入的是时空的裂缝,他的一切感受都来自时间的体验,空间已经不具有任何的意义,时间是单向的,只能向前。

这是一个类比,由此也许有人会问,两个人所看到或感受到的是两种结果,到底哪一种才是真实的呢?甲在黑洞只能一直生活得很好,为什么乙会看到他已经在黑洞的边界化为灰烬了呢?从乙的角度上来讲,甲确实在进入黑洞之前就已经死亡,这是事实。因为从自然的规律来讲,甲的信息永远不能丢失,这是物理学的定律,甲的信息必须被留在黑洞的边界之外,否则乙的物理学定律就会失效。但是从甲自身的角度来讲,他需要有两种状态,一是黑洞边界之外已经化为灰烬的自己,二是在黑洞中安然无恙的自己。也就是说,甲必须同时存在于两个地方,但是事实上,甲只有一个。

这个矛盾的结论就是著名的“黑洞悖论”。近百年来,科学家一直找寻解决这一悖论的理论和方法,有学者认为,黑洞没有所谓的真实,而“真实”取决于站在谁的角度上思考和看待,既有甲所感受到的真实,也有乙所看到的真实。那么,甲到底会不会死去呢?霍金解释说,当你发现自己置身于黑洞当中,先不要惊慌,你可能会死去,但是你的信息一定会被保留,不可能消失得没有一点踪迹。根据霍金辐射,黑洞在不断地蒸发,黑洞的周围存在粒子流。根据量子力学理论,信息是不能被永久消灭的。如果按照传统的观点,认为物质一旦进入黑洞,就会永远无法逃脱,也就意味着被消灭,这与量子力学理论是相悖的。因此,霍金指出,那些被黑洞吸收的信息可能从来没有真正进入黑洞。“我认为,信息并不像我们以前设想的那样存储在黑洞里面,而是在它的边界,即事件视界。”他这样说。

2014年,克里斯托弗·诺兰执导的一部原创科幻冒险电影《星际穿越》或许能够对霍金的这一理论进行一方面的解释:黑洞的事件视界,是一个“不可返回点”的界限,任何物质一旦穿越了这条界限,就会被黑洞吞噬,永远无法返回。而霍金认为,黑洞的事件视界非常复杂,没有人能够对它的情况进行清晰的描述。在霍金之前,也有物理学家提出过相似的理论,认为当一个无尽跨越黑洞的事件视界进入黑洞时,它的信息会被事件视界捕捉并保存(就如同前文中掉入黑洞中的甲,虽然他本人已经进入到了黑洞当中,但是他的本质特征——他的一切信息,都被留在了事件视界当中,即乙所看到的一切)。

依据霍金的理论,这些被保存在事件视界中的信息也是可以逃脱的。在前文中,我们已经了解了他的“霍金辐射”和“灰洞”理论,事件视界中的信息能够被释放就是基于这些观点。黑洞周围不断地释放能量,落入黑洞的人的信息就会在事件视界被这些释放的能量所获取,并且被保留的信息也可以借助这些被释放中的能量而逃脱。不过,霍金也表示:“进入黑洞的粒子的信息虽然回来了,但却处于一种混乱和无用的形式中。从实际用途来说,信息其实是丢失了。”也就是说,被事件视界所保留的信息虽然可能有机会逃脱,但是已被全部打乱重新组合,即使逃脱出来也已经不是原来的信息了。或者更直观地说,甲在不小心落入黑洞之后是有机会逃脱出来的,因为甲的本质特征信息已经在进入黑洞之前被黑洞的边界——事件视界——所捕获和存储,并且有机会借助黑洞向外辐射的能量而逃脱出来,但是逃脱出来的甲的信息已经被打乱了,换一个说法来说,逃脱出来的甲已经不是原来的甲了。

也就是说,一个人掉入黑洞之中并不能够幸存,但是他的特征还是会被保留下来。尽管是如此有限的特征,霍金认为,这些信息“丢失”在黑洞之外总要比消失在黑洞之中要好。