时空可能只是幻象

发布时间:2015-11-27 信息来源:www.tp88.net 点击:0次 标签:时空只是幻象 栏目导航:首页 > 宇宙航天

   

 

 

  超大质量黑洞艺术想像图。黑洞充满了悖论,但是一种新的理论观点认为,假如承认空间和空间在微观尺度上的瓦解,问题便可以得到解决。图片来源:ESO/M. Kornmesser

  我们对138亿年的宇宙史已经有所了解;但是不管我们对宇宙的认识增加多少,总有那么一些问题难以解决。其中有一个常被人提及,即在宏观物理——广义相对论,与微观物理——量子力学之间,还没有办法建立起联系。而且,一个粒子,在落入黑洞后,它本身所携带的信息何去何从?它的命运究竟如何?仍无人知晓。最近,有学者提出了一种针对基础物理的新解释,试图回答这些谜题,它的断言非常大胆:在一定尺度之下,空间和时间并不存在。

  先让我们说点题外话。感谢爱因斯坦的狭义相对论,让我们得以承认,对所有观察者来说,光速是恒定的。我们也同意,只要我们不是光子,那么当我们的速度接近光速时,一些时髦的法则便会生效——换而言之,所有看着你的人,都会发现你的长度变短了,而你的表也会变慢。

  但是根据广义相对论,时间的变慢,也会在拥有强大引力的物体附近发生。因此,假如你有幸到银河系中心观光,并令人遗憾地做出了错误的决定,使你离那个超大质量黑洞的视界太近(说得不好听点,那就叫不归路),所有的旁观者都会发现你的手表变慢了。而事实上,他,或她所看到的,将是极为戏剧化的一幕,你会在一段无限长的时间内,越来越慢地朝着视界移动;也就是说,在你这位伤心的朋友眼中,你将永远跨不过视界。但是你本人却可以在丝毫感觉不到异样的情况下,穿越这道无形的屏障,直到被黑洞巨大的引力拉扯成“意大利面条”为止。

  那么,谁才是“正确”的?相对论认为,无论是谁的视角,都是同等有效的;但是在这种情况下,这二者不可能同时成立。因为你不可能死在黑洞里,而同时又没有死。(注:这不是严格意义上的悖论,但是直觉上还是会让人感觉不舒服。)

  此外还有一个更大的问题。黑洞的视界会发出“霍金辐射”,这是一种逃逸的能量,它最终会将黑洞蒸发掉,同时也会将黑洞内的所有物质和能量毁掉。这是个让所有黑洞物理学家都挠头的概念。因为根据物理定律,所有与粒子或系统有关的固有信息(也就是量子波函数)必须被保留。它们不可能就这么不见了。

  

 

  剑桥大学的斯蒂芬·霍金博士,旁边的图片中是一个黑洞,以及正在产生霍金辐射的黑洞视界。目前他仍在致力于发展灰色物质理论,以图解开宇宙之谜。而与此同时,其他学者也在尝试确认他的现有理论。(照片:BBC,插画:T.Reyes)

  为什么会有这么多奇怪的悖论?这是因为,黑洞在物理学上处于一个界限不清的位置,奇点和广义相对论在那里发生了遭遇——这是一块肥沃的处女地,未来的万物理论会在此生根、发芽。

  再介绍两个好玩但有争议的概念:双重狭义相对论、引力彩虹。

  就像狭义相对论中的光速一样,在双重狭义相对论中,普朗克能量也是个被承认的统一常量。在双重狭义相对论中,普朗克能量的值(1.22 x 10^19 GeV(单位:10亿电子伏))是宇宙中单一粒子所能够具有的最高能量(因此,也是最大质量)。

  双重狭义相对论的最大能量值,带来了两个重要的结果,即时间和空间都有一个最小单位。也就是说,无论你在运动还是保持静止,无论你是在真空中还是在黑洞附近,传统意义上的空间在小于普朗克长度(1.6 x 10^-35米)的距离上不再存在,传统意义上的时间也会因那一刹那短于普朗克时间(5.4 x 10^-44秒)而消失。

  换句话说,时空并不是连续的。它由一种不可分割的最小单位组成(是极端微小的)。以量子力学为基础,以经典物理为上层。用广义相对论来统领全局,这就是引力彩虹。

  物理学家Ahmed Farag Ali、Mir Faizal和Barun Majumder认为,这些理论能够用来解释前面提到的黑洞之谜——无论是意大利面条化,还是信息悖论。为什么呢?这是因为,根据双重狭义相对论和引力彩虹,当空间小于1.6 x 10^-35米,时间短于5.4 x 10^-44秒时……我们所知的宇宙不再存在。

  “什么??”——阿尔伯特·爱因斯坦

  “在引力彩虹中,空间在某个最小尺度以下是不存在的,时间在某个最小间隔以下也是不存在的,”Ali解释道。他和Faizal、Majumder就此共著的论文已于上个月出版。“因此,所有存在于空间中的物体,和所有发生在时间中的事件,在那个(与普朗克尺度有关的)长度和间隔之下是不存在的。”

  很幸运,我们所知的每个粒子,以及构成我们身体的每个粒子,都要比这个普朗克长度长得多,也都要比普朗克时间持久得多。所以,哈,你、我,以及我们所见、所知的万物才得以存在。(只要别过份地深究就行。)

  然而,黑洞的视界完全不同。毕竟,视界不是由粒子组成的。它是纯粹的时空。根据Ali和他同事的观点,假如你用极短的时间和极小的距离尺度来观测它,它就不再有意义了。它不再是有去无回的临界点。在他们的观点里,悖论只会在你把时空当成是连续的时候才会出现——也就是说当你没把它当成是由最小的长度和间隔单位构成的时候。

  “由于信息悖论依赖于视界的存在,而视界和其他所有物体一样,在最小的长度和间隔下并不存在,因此在引力彩虹里,并不存在绝对的信息悖论。没有了能够起作用的临界点,其实就意味着没有什么能够阻止信息从黑洞内流出,”Ali总结道。

  视界不存在,因此也就没有了信息悖论。

  那黑洞里的“意大利面条化”呢?这也同样取决于分析处境时所用的尺度。在引力彩虹里,时空不是连续的;运算结果表明,你(掉进黑洞的在劫难逃者)和观察你的人都将目睹你在一段有限长的时间内逐渐死去。但是在当前的广义相对论方程中,时空是连续的,因此悖论才会出现。对于掉进去的人来说,他看到的是自己掉进黑洞;而同时,观察者却永远看不到他跨越视界的那一刻。

  “在这篇论文中,我们可以学到重要一课,也就是时空仅在某一特定尺度之上才会存在,”Ali说。“在此尺度之下,时空和空间不存在。用它来定义粒子、物质,或其他物体,都是没有意义的,也包括黑洞在内,它是存在于比那个尺度小的空间、时间内的。因此,如果把问题的范围限定在空间、时间都能够存在的尺度上,我们就可以得到合理的答案。而当我们试图回答长度和间隔都小于这个尺度的问题时,各种悖论和疑问就产生了。”

  总结如下:如果时空在小尺度上是连续的,悖论就会存在。如果引力彩虹是正确的,而且普朗克长度和普朗克时间的确是空间和时间存在的最小基本单位,那问题就解决了……至少,从数学的角度来看是这样的。不幸的是,普朗克尺度太小了,现代粒子对撞机还没有办法对此进行探测。但是这至少又为我们提供了一种纯理论的研究成果。

  该论文发表在2015年1月23日的《欧洲物理学快报》上。

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