人掉進黑洞會怎樣?今晚公佈的照片將增進我們對黑洞的認識
2019年04月10日16:14

原標題:人掉進黑洞會怎樣?今晚公佈的照片將增進我們對黑洞的認識

當物質落向吸積盤中的黑洞時,它釋放能量並加熱,導致盤的內部區域變得越來越熱和明亮。圖片來源:NASA/Goddard Space Flight Center北京時間2019年4月10日晚9點,人類首張黑洞照片即將在全球六地同步發佈。

為何人類對黑洞的研究孜孜不倦?當日,從事量子場論、引力理論和宇宙學研究的華東師範大學物理與材料科學學院教授薛迅接受了澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者的專訪。

薛迅預判,即將發佈的超大質量黑洞最可能的來源是活動星系核的演化結果。他認為,超大質量黑洞的照片發佈,對於最終證實超大質量黑洞的存在,對於星系中心黑洞的認識,對於活動星系核的演化研究都具有重要的意義。

對黑洞的預言可追溯到200多年前

據薛迅介紹,黑洞是一類特殊的天體,其附近的引力很強,強到表面上的光也會被吸引得輻射不出來,這個表面就稱為黑洞的視界面。

“黑洞這樣的天體的存在可能性,理論上很早就預言了,John Michell 在1784年11月就預言了由於引力導致的逃逸速度達到光速時,天體發的光就輻射不出來,使得天體不能被看到,而只能通過引力感受到的可能性,其計算基於光的微粒假說和牛頓的萬有引力,後來隨著光的波動學說被證實,關於這種暗天體的討論就沉寂了下去。”薛迅說。

薛迅補充說,直到1915年,愛因斯坦創立了廣義相對論作為新的萬有引力理論,取代了牛頓對引力的描述,成為現代的引力理論。1919年施瓦西發現第一個廣義相對論的解析解,從中可以推測出有視界的存在證據,這種有視界存在的解被稱為黑洞解,後來又發現了帶電和旋轉的黑洞解,其視界結構比施瓦西黑洞更複雜,但這些都是理論推測。

2015年,LIGO激光干涉引力波天文台第一次探測到兩個黑洞並和的引力波訊號,證實了黑洞的存在。

“人類第一次觀測到的引力波就是兩個黑洞並和導致的,從此人類對於宇宙空間的觀測在電磁波之外多了一個信道,開始了引力波天文學時代,這本身就是幾十年黑洞研究的積累收穫。”薛迅說,“黑洞研究對於天文學意義重大,超大質量黑洞普遍認為是星系中心引力坍縮導致的,在活躍期間,稱為活動星系核,關於活動星系核的觀測以及對於物質吸入黑洞的吸積過程的理解,構成了天文學研究的重要組成。黑洞輻射和黑洞熵的研究則為引力量子理論研究提供了研究平台,黑洞信息丟失與火牆理論則使得量子信息的研究更加深入。”

霍金的研究啟發人們思考黑洞內部

薛迅認為,現在人類對自然界本源的理解,基於四種基本的相互作用,即引力、電磁力、強力和弱力,前兩種力是長程力,可以跨越時空,後兩種是短程力,只存在於原子核內或者基本粒子之間。

在他看來,對這四種相互作用的認識構成了二十世紀基礎物理學的主旋律,並且構建了粒子物理的標準模型,把電磁力和弱力合併為一種本源的相互作用,電弱相互作用,強力則有不同的起源,基於對電弱和強相互作用的理解就可以解釋和預言現在遇到的幾乎所有基本粒子物理現象,2012年發現的Higgs粒子就證實了粒子物理標準模型最重要預言。

“但人類在理解相互作用本源方面走得很遠,研究界普遍相信,四種相互作用最終具有唯一本源,即量子引力。” 薛迅指出,“現代物理學的兩大支柱是量子論與相對論,物理學界普遍相信量子本源是普適的,即使引力也不能例外,但是基於廣義相對論去探索引力的量子理論的嚐試全都遭遇了挫折,原因是引力比其它三種相互作用更複雜。”

薛迅同時表示:“量子引力的探索研究一直是基礎物理理論的研究前沿。黑洞視界面內是什麼樣子一直強烈吸引著人類的好奇心,霍金等人關於黑洞的研究,尤其是霍金關於黑洞熵和黑洞霍金輻射的研究啟發人們思考黑洞內部並非是個經典的視界,而是量子規律支配甚至是量子引力起作用的地方,量子引力也許離人類並不遙遠,不是僅在宇宙開端時起作用,而是在現在宇宙中,黑洞這樣一類天體內部也在起作用。”

“對黑洞的研究極大地拓展了人類的思維的疆界,” 薛迅認為,在研究黑洞物理的過程中,研究者逐漸認識到黑洞物理是多個物理基礎理論領域的交叉,引力理論,量子場論,量子信息,熱力學統計物理,等等。另外黑洞起源的研究,如原初黑洞的研究也直接影響到對於暗物質等天文觀測的理解,與超越標準模型的新物理研究密切相關。

人掉進黑洞會發生什麼事?

科幻電影《星際穿越》劇情中的男主角滑向黑洞,掉進了一個彩色橫豎整齊的五維空間。

假如一個人真的進入黑洞會發生什麼?外面的人看他是否覺得他停留在了視界邊界,而他本人則進入扭曲的時空?

薛迅認為,從遠處觀察者看來,掉入黑洞的物體會逐漸地接近視界面,不會掉進去,現在也有修正的理論說,視界面會膨脹一下,將他吞進去。至於進入視界面的觀察者本身經曆了什麼,現在的說法都是基於廣義相對論的推演,如果有強烈的量子過程發生,這些推演就沒意義了。另外即使基於廣義相對論的推演,掉入黑洞的觀察者本身的經曆由於與外界不可能溝通,從外界的觀察者看來,他最終變成了一堆沒有信息的熱輻射了,本身經曆了什麼都湮滅在時光中了,不可考。

黑洞是否會無限膨脹,膨脹到後面會不會影響太陽系和地球?

薛迅表示,按照霍金的黑洞蒸發理論,黑洞在吸積的同時,也在蒸發、輻射。蒸發和輻射的快慢與黑洞的質量大小相反,越大的黑洞,其輻射效率越低。比較大的黑洞,比如太陽質量以上的,基本只會增大,這樣來看,未來宇宙是黑洞主宰的。

雖然黑洞“證件照”尚未公佈,但薛迅預判,即將發佈的超大質量黑洞最可能的來源是活動星系核的演化結果。

薛迅說:“關於活動星系核的研究很豐富,關於星系中心的超大質量黑洞也有很多預言,業界普遍相信銀河系中心就有一個超大質量黑洞,也有很多間接觀測證據,但是直接看到超大質量黑洞的視界面還沒有過,所以超大質量黑洞的照片發佈對於最終證實超大質量黑洞的存在,對於星系中心黑洞的認識,對於活動星系核的演化研究都具有重要的意義。”

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