冰凍的恆星

黑洞可能並非無底洞

摧毀恆星,為高能輻射爆發提供能量,撕裂時空結構:不難看出黑洞的吸引力。它們點亮了大腦中與巨型卡車和戰鬥機器人相同的部分。它們解釋了其他天體無法解釋的劇烈天體現象。事實上,它們是如此極端,以至於沒有人真正知道它們是什麼。

大多數研究人員認為它們是微小的針孔,是恆星在自身重力下坍縮後的殘餘物。但過去幾年,一些特立獨行的人提出,黑洞實際上是擴充套件的物體,由一種奇異的物質狀態組成,這種物質在坍縮過程中像液體變成冰一樣凝結。這個想法為思考量子引力提供了一種發人深省的方式,量子引力將統一愛因斯坦的廣義相對論和量子力學。

在教科書的描述中,針孔(或奇點)被事件視界所包圍。視界不是一個物理表面,而僅僅是一個概念上的表面,儘管它標誌著物質墜向奇點的有去無回點,但相對論認為那裡沒有什麼特別的事情發生;物理定律在任何地方都是相同的。然而,對於量子力學來說,事件視界是非常矛盾的。它允許資訊從我們的世界中丟失,這是量子理論所禁止的。“你在學校學到的東西幾乎肯定是錯誤的,因為經典的黑洞時空與量子力學是不一致的,”勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的物理學家喬治·查普林說。


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關於黑洞的新概念完全消除了事件視界。基本觀點是,事實上,確實存在一種力可以在其他一切都失敗的情況下阻止恆星的坍縮。這種力就是引力本身。在具有某些特性的物質中,引力從吸引力轉變為排斥力。這種被稱為“暗能量”的物質被認為是驅動宇宙加速膨脹的原因。

去年,南卡羅來納大學的物理學家帕維爾·O·馬祖爾和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的埃米爾·莫托拉推斷,在恆星坍縮過程中,這種物質可能會像冰晶一樣凍結出來。他們稱之為引力星的結果看起來像油炸冰淇淋:一個由緻密但普通物質組成的硬殼,由一個奇特的內部結構穩定。這個硬殼取代了原本的事件視界。

另一個提議更進一步。它不僅推測暗能量會凍結出來,而且相對論也會完全失效。這個想法來自量子引力的一個冷門競爭者,其支持者被物理基本定律與流體和固體(也稱為凝聚態物質)的行為之間的相似性所震驚。在許多方面,聲波在移動流體中傳播的方程與廣義相對論非常相似;聲波可以像光被困在黑洞中一樣被困在流體中。也許時空實際上是一種流體。

這種方法如此有趣的原因在於凝聚態物質的行為是集體性的。單個分子的細節幾乎無關緊要;系統的屬性是從聚集的行為中產生的。當水結冰時,分子不會改變,但集體行為會改變,並且適用於液體的定律不再適用。在合適的條件下,流體可以變成超流體,即使在宏觀尺度上也受量子力學支配。查普林與斯坦福大學的物理學家埃文·霍爾費爾德、羅伯特·B·勞克林和大衛·I·聖地亞哥一起提出,在事件視界也發生了類似的過程。相對論方程失效,新的定律出現。“如果把時空看作是一種超流體,那麼在事件視界確實會發生一些物理的事情——也就是說,經典的事件視界被量子相變所取代,這是非常自然的,”查普林說。

目前,這些想法僅僅是信封背面的草草塗鴉,批評者對它們的合理性提出了無數的抱怨。例如,在恆星坍縮過程中,物質或時空究竟是如何改變狀態的?麻省理工學院的物理學家斯科特·A·休斯說,“我不明白像一顆大質量恆星這樣的物體——由普通流體組成,具有相當簡單的密度和壓力關係的物體——如何能夠轉變為像引力星那樣具有奇異結構的物體。”量子引力的主流理論發展得更好。例如,弦理論似乎在不放棄事件視界或相對論的情況下解釋了黑洞的悖論。

從觀測角度來看,黑洞的新概念可能很難與經典的描述區分開來——但並非不可能。引力波應該揭示假定黑洞周圍時空的形狀。一個經典的黑洞,作為一個沒有真實表面的簡單物體,只有幾種可能的形狀。如果現在正在執行的引力波觀測站之一發現不同的形狀,那麼當前的物理學理論將成為宇宙中又一個被黑洞撕成碎片的東西?

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