爱因斯坦、霍金和黑洞的概念问题

    当黑洞消失时，对掉进去的东西发生什么？物理学家布莱恩·考克斯（Brian Cox）解释。

The Big Think Interview

Brian Cox

Brian Cox obtained a first class honors degree in physics from the University of Manchester in 1995 and in 1998 a Ph.D. in High Energy Particle Physics at the DESY[…]

    布莱恩·考克斯：对一种量子引力的理论黑洞会是关键吗？一个现实如何、空间和时间如何工作的更深理论吗？

    黑洞是有趣的，因为我们有一个叫 “事件地平线”的地方，在那里我们认为我们能完全控制物理学。我们理解正在发生的，但在我们的两个基本自然理论之间有一个根本的冲突：量子理论和广义相对论。乞求来统一20世纪和21世纪物理学的两大支柱成往往被指称为“引力的量子理论”在从某种意义上对理论物理学家是圣杯。

    因此，黑洞正在迫使我们进入一个更深理解空间和时间是什么。在这个意义中，我认为可以公平地说黑洞对理解这个宇宙是关键。

    我是布莱恩·考克斯（Brian Cox），我是曼彻斯特大学的粒子物理学教授，也是英国皇家学会公众参与科学教授，我还是《黑洞：来理解这个宇宙的关键（Black Holes: The Key to Understanding the Universe. ）》一书的作者。

    实际上黑洞的想法追溯回到很久以前1780年代和1790年代。当时两个物理学家、数学家、自然哲学家凡是你想叫他们的，工作在有同样的想法上，显然独立于彼此。一个是叫米切尔的神职人员，另一个是伟大的法国数学家拉普拉斯。他们俩都正在思考按一个叫 “逃逸速度”的想法。逃逸速度是你必须旅行来完全摆脱某物、一颗行星或一颗恒星的引力拉力的速度。

    因此对地球，例如从地球表面逃逸的速度约为每秒八英里。如果你到更大，你弄一个更大、更大质量的东西，让我们去看一颗恒星比如太阳，它的速度在每秒 400 英里左右。逃逸速度增加因为在表面上的引力增加。

    米切尔和拉普拉斯想了的我认为这是一个非常美丽的想法，是在他们的脑海中想象 “好吧，你能到更大吗？你能想象越来越多大质量恒星、巨型恒星如此在表面上的引力拉力是如此之大以至于逃逸速度超过光速吗？”然后你将不会看到它们。

    要理解为什么黑洞造成如此多的概念问题，可能刚好值得非常非常简要地描述一个黑洞看起来像的样子。因此一个黑洞，你从外面看到了什么？

    嗯，围绕黑洞有一个事件地平线。在某种意义上它定义了外部宇宙和黑洞内部之间的边界。而如果你跨过边界进入这个球体的内部，那么即便你能快的以光速旅行，你不能逃脱黑洞的引力拉力。

    但一路回到黑洞的研究历史，事件地平线的另一种描述实际上是事件地平线当从外部观望时是一个空间中在那里时间停止的地方。这是爱因斯坦相对论的一个直接预测。

    从外部角度，有一个中心问题仍然没有被解决，那就是在一个黑洞的中心躺着什么？你可能想象它为一个无限密集的点，对它这颗大质量的恒星坍塌。如此我们正在描绘什么呢？这就是叫的“奇点”。

    实际上，来谈论一个黑洞的中心真的是不对的。甚至刚好在纯粹的广义相对论中，当你观察一张漂亮的黑洞映射一个以罗杰·彭罗斯命名的所谓的“彭罗斯图”时，你看到的是空间和时间被如此扭曲以至于在某种意义上它们的角色互换，奇点真的毕竟不是空间中的一个地方，它是一个时间中的时刻， 实际上是时间的终结。但那个东西的本质许多许多年仍然没有被理解，实际上直到相当最近人们才想“好吧，我们在那里，我们有一个奇点的问题。我们真的没有任何对它的访问。我们没有概念工具来探索它”。因此，对未来一个世纪它可能仍然是一个秘密，要做什么不清楚的。

    在黑洞研究中的伟大革命是来注意到实际上有的概念问题，不仅在奇点这个极端的位置，凡是可能是的，而且在地平线上。斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在有里程碑意义的几篇论文中表明了如果你考虑量子理论，在一个黑洞地平线界附近的量子力学那么你发现它们辉光，它们产生粒子，它们有一个温度。我们已经在爱因斯坦的理论中描绘的这个东西是纯几何学，只是扭曲的空间和时间实际上发射粒子------它被称为霍金辐射。

    斯蒂芬在他1974年的论文中给出了这种挥手的描述------这是种来描绘正在发生的事情的好方法------想法是放大一个黑洞的事件地平线附近。你能描绘正在发生的为一系列一直在进出存在的粒子，所谓的“纠缠的粒子”。因此，其中一个粒子在事件地平线的内侧，另一个在事件地平线的外侧。然后能发生在外面的那个不是与它的伙伴再次回去合并能逃逸进宇宙，随它走从黑洞带走能量，因此，它正在缩小，这意味着总有一天它将走掉。

    这有深远的涵义。因此黑洞不是永恒的监狱，它们有一个寿命。总有一天，凡是在里面的都会回到宇宙。问题是，被这些计算立即引发的核心问题是：对所有掉进去的东西都发生了什么？

    我已经描述它的方式，爱因斯坦的理论描述它是不知怎的东西走到奇点，凡是那个东西是的，时间的尽头，空时的区域是如此卷的和扭曲的以至于我们毕竟不理解如何来描述它------但然后有一天，整个东西都走了。留给遥远未来的是霍金辐射，那些在事件地平线附近产生的粒子。

    问题是，如果你能收集到所有的辐射，收集黑洞的整个生命中所有的霍金辐射，不知怎的关于黑洞历史上落入黑洞的所有信息都被印在在遥远的那个辐射中原则上可能的是可能的吗？这是真的还是假的？你可能会说，我为什么要问这个问题？似乎有点像一个随机问题。这是一个非常重要的问题。就我们所知，信息因此让我们说我拿了一本书，我放火烧了它，我焚烧了它，我尽我所能摧毁它。在基础物理学中，然后原来是如果你能收集到我引爆或焚烧的每一块东西、每一个辐射的量子、每一个光子、每一个粒子、一切，原则上，如果我能收集到所有的东西，我可以重建我已经摧毁的东西。

    问题是黑洞、量子力学、广义相对论，当你把它们放在一起时你有这个明显的预测，即从宇宙中抹去这些东西信息------这变成被称为“黑洞信息悖论”。原来是如果我们快进到今天，一系列论文仍在被撰写，如此这仍然是随我们说正在发生的研究，但现在原来是普遍的观点是黑洞不会从宇宙中抹去信息。我们现在认为你可以收集所有那个辐射，原则上，把它放到一些量子计算机中，重建关于所有落入其中的信息。

    但那个的涵义以及发生那个的机制，我会说它深刻的令人兴奋，因为它似乎真的作为一个更深层次的引力理论的一瞥被给出。简单来说，让我用一句话说它：似乎空间和时间都不是根本的。

    因此一种观点，我强调现在还有其他观点是研究的前沿，但有一种观点是被称为“浮现的空时”的领域。因此想法是空间和时间本身从什么浮现？来自量子纠缠，来自某种更小的部分或碎片。我们不知道这些东西是什么。我们不知道它们的本质，但似乎支撑从中空间和时间浮现的更深层次的理论，这就是我们所说的“引力的量子理论”。

    我的观点是，如果我们要谈论宇宙的起源，甚至问诸如宇宙有一个时间中的开始的问题，这我们不知道答案，那么似乎对我在我们能问并有机会回答这些问题之前我们必须了解什么是空间和时间。原来是黑洞是我们能看到的天体，我们能观测到实际上存在于自然界中，迫使我们下到这条路来问关于空间和时间本身本质的问题，尖锐的、明确的问题。

    爱因斯坦说过，如果你非常仔细地观察自然并保持拉扯智力线索并继续前进，保持深入研究进自然似乎试图来告诉我们的，那么如果你是幸运的和执着的，你能捕捉瞥见一些深藏的。这是美丽的，不是吗？瞥见某种深藏的，这是自然的深层支撑结构，现实本身的深层支撑结构。我认为它非常美丽。没有人真的知道，我认为可以公平地说，这个正要去的地方，但这暗示着一些深藏的。

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