2014年1月26日 星期日

霍金宇宙新論 「黑洞不存在」!今天的我打倒昨日的我...

茫茫宇宙中,傳說可吞噬任何物質的「黑洞」(black hole)到底存在嗎?英國當代物理學大師霍金(Stephen Hawking)窮一生研究希望證實黑洞存在,但他日前決定「打倒昨日的我」,發表論文指所謂能吞噬一切的黑洞,根本不存在,震驚物理學界。他淡然接受一生心血或付諸流水的事實,微笑寫道:「我(對黑洞)的看法改變了。」

黑洞一直是天文物理學上最神秘的領域,它由質量龐大的恒星殆盡後,重力塌縮至無限小的「奇點」(singularity)而成。根據科學家愛因斯坦(Albert Einstein)提出的廣義相對論,它的重力場將強得令任何物質、輻射甚至光線都無法逃逸。而物理學界對黑洞存在與否的關鍵爭拗點,一直在於黑洞的邊緣界線──「事件視界」(event horizon)。
由於「奇點」體積無限小,不可能有空間儲存任何物質和資料,而理論上任何數據物質只要墮進「事件視界」內,均會徹底湮滅,從此消失於宇宙中。但這建基於廣義相對論的黑洞「事件視界」概念,卻與量子力學相矛盾。根據量子力學定律,任何轉化過程均可逆轉,因此應有能量或資訊可從黑洞逃逸。

根本沒有「事件視界」
兩年前有關爭拗更升溫,美國物理學家波爾欽斯基(Joseph Polchinski)團隊發現,依循量子力學定律,「事件視界」必須為高能量的「火牆」將物質燃燒殆盡才墮進黑洞。但問題又來了,若然「火牆」存在,則違反廣義相對論中的「等效原理」──若然物質以自由落體墮進黑洞,將無法在宇宙找到相應的單位。那麼,「事件視界」應毫不起眼,而不能像火牆耀目。
這黑洞「火牆悖論」(firewall paradox)纏繞物理學界兩年後,霍金上周三終於在網上發表論文,拋出兼容兩個理論的新答案:黑洞周圍根本沒有「事件視界」。他解釋,黑洞周圍的量子效應令時空變化太劇烈,因此分界並不清晰,並大膽提出以「表觀視界」(apparent horizon)為真正的黑洞邊界,取代「事件視界」。美國物理學家波爾欽斯基提出有「火牆」將物質燃燒殆盡才墮進黑洞,他質疑霍金所指「沒有事件視界的黑洞」,究竟能否存在。對霍金有懷疑的,還有霍金的學生布索(Raphael Bousso),他認為恩師的新理論有很多疑點,指「物質可逃出黑洞」的說法似乎比「火牆存在」更急進、引發更多問題。
加拿大物理學家佩奇(Don Page)則認同霍金,認為理論聽來也合理,他說:「儘管你可以說它提出沒有事件視界很急進,但這涉及超高量子條件,我們對時空概念也有分歧,遑論如何界定「事件視界」的區域是否存在吧!」他認同「事件視界」可以不存在,但也擔心「表觀視界」也存在類似「火牆悖論」的問題。
不過有專家認為,若然霍金新理論正確,將顛覆很多物理學界對黑洞的概念,意味黑洞核心內或者根本也沒有「奇點」,物質只暫存在「表觀視界」,最終或以「霍金輻射」(Hawking radiation)釋出。

「表觀視界」暫存物質能量
「表觀視界」可將企圖逃逸的物質和能量暫存,然後再將物質釋放,但實際物質如何逃離黑洞的機制仍有待進一步研究。不過,雖然訊息難再收復,但訊息某程度上仍然存在,霍金就將相關過程,形容像天氣預報一樣,理論上可行,但實際上很難準確做到。
但霍金宣稱沒有「事件視界」,對解決黑洞存在與否的問題意義非常重大──既然「吞噬」的物質將重回宇宙,換言之,傳統概念說連光線也無法逃逸的所謂黑洞,實際並不存在。霍金在論文中承認:「沒有了『事件視界』,意味(宇宙)沒有黑洞了。」(Stephen Hawking),日前在網上發表新的論文,稱黑洞其實不存在,但有灰洞(Grey hole)
傳統黑洞理論認為黑洞吞噬一切,霍金的「灰洞」理論則認為物質和能量被困住一段時間以後,會被重新釋放到宇宙中。
  黑洞是指擁有強大引力的天體,把附近的一切都吞噬。由於引力相當強大,黑洞外的物質和輻射可以通過「事件視界」(Event horizon)進入黑洞內部,而黑洞內的任何物質和輻射即使以光速「逃走」,都無法從黑洞邊緣「事件視界」中逃出。
  霍金在這篇名為《黑洞的訊息保存與氣象預報》(Information Preservation and Weather Forecasting For Black Holes)的新論文中稱,由於找不到黑洞的邊界「事件視界」,因此黑洞理論上不存在。他在新論文中指出,經典黑洞理論認為任何物質和輻射都不能逃離黑洞;但在量子力學(Quantum Theory)理論中,容許能量及物質從「事件視界」或黑洞中逃出。
  他解釋,光由核心逃出時,核心的表面會產生另一個視界面「Apparent horizon」把光凝住,最終光會隨輻射慢慢消散而「逃出」,「Apparent horizon」才是真正的「邊界」。他同時指出,黑洞不存在,但有「灰洞」存在。他的最新「灰洞」理論認為,物質和能量在被灰洞困住一段時間以後,會被重新釋放到宇宙中。他在論文中承認,自己最初有關「事件視界」的認識是有缺陷的。《大自然》雜誌網站

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