如果人掉進黑洞下場會如何?

圖:Space magazine

你即將要掉入一個黑洞。儘管困難重重,若是你存活了下來,在你面前等待的會是什麼?你最後會出現在哪裡,若是你設法回來,你又會經歷怎樣的故事呢?

黑洞內部為何?

對於這些問題的答案,英國杜倫大學(Durham University)物理學家理查·馬塞教授(Richard Massey)解釋:「誰曉得呢?」。馬塞教授完全深知黑洞的神秘。他表示:「落入事件視界意思就是與世長辭:一旦落入事件視界後,沒有人可以傳送訊息回來,因為這些人會被極大的重力撕裂成碎片,所以我懷疑任何掉入黑洞的人能去到任何地方。」

若這聽起來似乎是個令人失望且痛苦的答案,這是可以預料的。自從愛因斯坦(Albert Einstein)的廣義相對論被認為預測了黑洞是由重力的動作將時空連結,已知黑洞是源自一顆巨大恆星的死亡,而留下一顆小而高密度的核心。若假設這顆核心具有超過太陽約 3 倍的質量,則其重力會巨大到讓其本身落入一個單一點,或是所謂奇異點,也就是黑洞無限稠密的核心。

所形成的黑洞會有極強大的重力拉力,以至於連光都無法躲掉。因此,若是你發現自己位於事件視界,也就是根據德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)所提出的,光及物質只能往內通過之處時,就完全無法逃脫。根據馬塞教授的說法,潮汐力會將你的身體變成好幾束的原子線,也就是所謂的「麵條化」(spaghettification),而物體最終會在奇異點被壓碎。至於你可能會出現在某處,或許是在另一邊的想法,則是不可能的。

蟲洞的可能性?

但真的是這樣嗎?在這幾年科學家開始探索黑洞可能是通往其他星系的可能性。有些人還認為黑洞甚至可能是通往另一個宇宙的通道。

這些想法已經出現一段時間。首先,愛因斯坦與物理學家納森·羅森(Nathan Rosen)合作,在 1935 年提出了連結兩個不同時空點橋樑的理論。但在 1980 年代這個理論獲得了嶄新的基礎,當今研究廣義相對論的天文物理意義最頂尖的物理學家之一,基普·索恩教授(Kip Thorne)對於物體是否能穿過黑洞,提出了一個說法。

向好萊塢電影「星際效應」(Interstellar)提供專家建議的索恩教授,曾在其著作《星際科學》(The Science of Interstellar)寫到:「我們並未在宇宙中看到可以隨著年齡增長而變成蟲洞的物體。」索恩教授也曾表示,穿過這些理論隧道的旅程很有可能只是科幻故事,而且絕對沒有穩固的證據來說明黑洞可以形成如此的通道。

問題在於我們無法靠近親自觀察黑洞。我們甚至無法拍攝任何黑洞內部的照片,因為光線無法逃離黑洞巨大的引力,因此相機無法拍攝到任何畫面。就目前而言,理論認為任何進入事件視界的事物就會進入黑洞裡面,而且因為在此界線時間會扭曲,時間會進行的非常緩慢,因此即使你進入黑洞,也無法很快把正確答案公諸於世。

哈佛大學(Harvard University)天文物理學教授道格拉斯·芬克拜納(Douglas Finkbeiner)表示:「我認為標準的故事是黑洞會導致時間的終點。一個位於遠處的觀察者不會看到他們的太空人朋友掉入黑洞內。因為重力紅移(Gravitational redshift)的原因,他們只會隨著靠近事件視界而變得更紅且更微弱。但是掉入黑洞的朋友會落入一個超越『永恆』之處,無論那個永恆意味著什麼。」

或許通到白洞

若黑洞真的會通到另一個星系或另一個宇宙,在另一側就必須有個與之相反的物體。是否可能如同俄羅斯宇宙學家伊戈爾·諾維科夫(Igor Novikov)於 1964 年提出的理論:一個白洞(white hole)?諾維科夫提出一個黑洞會連結到一個存在於過去的白洞。不同於黑洞,白洞會允許光及物質離開,但是光跟物質無法進入。

科學家持續探索黑洞及白洞之間的可能連結。物理學家卡洛·羅威利(Carlo Rovelli)及霍爾·哈格德(Hal M. Haggard)於 2014 年發表的研究中所述:「在一個有限的時空區域之外,也就是物質崩解入黑洞並從白洞出現之處,存在著一個滿足愛因斯坦方程式的公制。」也就是說,所有被黑洞吞入的物質可能會被吐出,而且黑洞可能會在死後變成白洞。

黑洞的崩毀不會破壞它吸入的訊息。相反地,黑洞將經歷量子反彈(quantum bounce),使得訊息得以脫逃。若是如此,它將為理論物理學家史蒂芬·霍金教授(Stephen Hawking)的理論提供一些啟示。霍金教授在 1970 年代探討了量子漲落(quantum fluctuations)而導致黑洞發出粒子和輻射(熱能)的可能性。

芬克拜納教授表示:「霍金認為黑洞不會永遠存在。」在霍金於 1976 年發表的研究中,他計算出輻射會造成黑洞失去能量、縮小並消失。根據霍金的說法,放射出的輻射是隨機的,而且不包含關於掉入黑洞的訊息,當黑洞爆炸時,會消除大量的訊息。

也就是說,霍金的想法與量子理論不一致,因為量子理論認為訊息是無法被摧毀的。物理狀態的訊息只會變得更難找,因為若訊息消失了,就變得無法知道過去或未來了。霍金的想法產生出「黑洞資訊悖論」(black hole information paradox),長期以來一直困擾著科學家。有些人認為霍金的想法是錯誤的,而他甚至也曾宣稱自己犯了這個錯誤。

那麼,黑洞會放射出保存的訊息,並透過白洞將其丟出嗎?或許如此。在 2013 發表的一篇研究中,路易斯安那州立大學(Louisiana State University)的霍爾赫·普林教授(Jorge Pullin)及烏拉圭蒙得維的亞共和國大學(University of the Republic in Montevideo, Uruguay)的羅多佛·甘比尼教授(Rodolfo Gambini)將迴圈量子重力論(loop quantum gravity)應用於黑洞,並發現重力往核心增加,但會減少並掉下任何進入宇宙另一區域的東西。這個結果給予黑洞作為入口想法的額外支持。在這個研究中,奇異點不存在,所以不會形成堅不可摧的障礙而壓毀任何遇到的事物。這也代表訊息不會消失。

或許黑洞根本哪裡都不通

然而物理學家阿赫麥德·阿姆黑利(Ahmed Almheiri)、唐納德·馬羅爾夫(Donald Marolf)、約瑟夫·波爾欽斯基(Joseph Polchinski)及詹姆斯·沙利(James Sully)仍然相信霍金理論可以解決某些問題。他們研究一個被稱為「AMPS 火牆」(AMPS firewall)或「黑洞火牆」假說的理論。根據他們的計算,量子力學可以將事件視界轉變成一個巨大的火牆,任何接觸到的物質都會瞬間燃燒。從這個意義上來說,黑洞根本不會通到任何地方,因為沒有任何東西進得去黑洞中。

然而這個理論違反了愛因斯坦的廣義相對論。跨過事件視界的人們實際上不應該感到困難,因為物體會是自由落體狀態,且根據等效原理(equivalence principle),該物體不會感受到重力的極端影響。AMPS 火牆理論可能會遵循宇宙中某處存在的物理定律,但即使其不違反愛因斯坦的原理,也會破壞量子場論或者暗示訊息會消失。

充滿不確定性的黑洞

2014 年,霍金教授發表的一項研究中,他避開了事件視界的存在,也就是說在該處沒有可以燃燒的事物,重力的崩潰反而會產生出「視視界」(apparent horizon)。

視視界會暫停試圖逃離黑洞核心的光線,並且會持續「一段時間」。霍金教授提到,視視界會暫時保留物質及能量,並在之後會溶解及釋放它們。這個解釋最能與認為訊息不會被摧毀的量子理論吻合,並且若是能被證明的話,那就表示任何東西都能從黑洞中逃離。

霍金甚至表示黑洞可能根本不存在。他曾寫到:「黑洞應該要重新被定義為重力場的介穩束縛態。那裡不會有奇異點,而且當視視界會因為重力往內部移動,它永遠不會達到中心並合併於一個稠密的質量上。」

然而任何被黑洞釋放出的東西,將不會以被吞沒的訊息出現,所以不可能從出來的東西中分辨進去的是什麼。這本身就會造成問題,尤其是對一個發現自己處在如此情況下的人而言,這些人將永遠不會有相同的感受。

然而有一件事是確實的,黑洞之謎將會在未來很長時間中繼續被科學家研究。羅威利教授及法蘭西莎·維多托教授(Francesca Vidotto)最近認為暗物質的一個成分可能是已蒸發黑洞的殘留物,而霍金教授生前最後一篇關於黑洞的論文也已於 2018 年發表,裡頭描述了零能量粒子是如何在事件視界被保留下來,也就是訊息沒有消失而是被捕捉。

參考資料:

  1. Crookes, D., (2019, September). Where Do Black Holes Lead? Live Science
  2. Haggard, H. M. et al., (2015, November 6). Quantum-gravity effects outside the horizon spark black to white hole tunneling. APS Physics. DOI: 10.1103/PhysRevD.92.104020
  3. Gambini. R. et al., (2013, May 23). Loop Quantization of the Schwarzschild Black Hole. APS Physics. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.211301
  4. Hawking, S. W. (1976, November 15). Breakdown of predictability in gravitational collapse. APS Physics. DOI: 10.1103/PhysRevD.14.2460
  5. Hawking, S. W. (2014, January 22). Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes. Cornell University. arXiv:1401.5761
  6. Hawking, S. W. et al., (2016, January 5). Soft Hair on Black Holes. Cornell University. arXiv:1601.00921
黃威翔
黃威翔 128 文章
清華大學材料工程學系碩士畢業生。一個喜歡學外語,但又在科學領域打滾的平凡人,喜歡美食,日劇,電影,旅遊。

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