星辰,虽然其名含有“永存”之意,却并非永远闪烁,在能量殆尽的那一刻,也将步入生命的终结。
星体终结的途径,与它们的质量息息相关。以太阳为例,它的最终归宿是化为白矮星。而质量超越太阳的恒星,终将演变为中子星,甚至可能成为致密的黑洞。只有质量达到太阳三倍以上的星体,才有可能坍缩为黑洞。
黑洞的概念,最初仅是爱因斯坦广义相对论的一个预测。质量庞然大物足以扭曲其周边的时空结构,质量愈大,扭曲程度愈剧烈。在理论上,存在一类质量巨大的星体,能将时空压缩至极致,形成所谓的黑洞。
而科学家史瓦西运用爱因斯坦的场方程,证实了黑洞这类天体的实际存在。
经过不懈的努力,2019年,天文学家们终于首次捕获了黑洞的图像,但这并非直接“拍摄”的结果。由于黑洞不发光,我们无法直接观测。科学家们实际上是对黑洞的事件视界进行连续曝光,并通过长达两年的数据分析和处理才呈现出那张图像。
黑洞的奇异之处在于其事件视界,也就是一个“事件的界限”。一旦越过这道界限,常规的时空法则不再适用,自然也就不存在所谓的事件。
任何靠近事件视界的物体都将不可避免地被吸入,即便是光也无法逃脱。换句话说,黑洞的逃逸速度超过了光速。遗憾的是,在我们的四维时空中,光速已经是速度的极限。
黑洞的存续时间超乎寻常地长,科学家们甚至认为,黑洞的寿命几乎等同于整个宇宙的寿命。因为当最后一个黑洞消散时,意味着宇宙也走到了尽头。
然而,无论黑洞寿命如何长久,它终究难逃灭亡的命运,其死亡方式正是通过“霍金辐射”。
什么是霍金辐射?
黑洞周围的“真空”并非真的空无一物,按照量子力学的理解,那里会不断地发生量子涨落,虚粒子对会瞬间产生又瞬间湮灭。只要这个过程足够迅速,量子涨落就有可能发生。
简而言之,就是在极短的时间内,任何事情都有可能发生。这也是量子力学中的不确定性原理的体现。
当虚粒子对出现后,有时会发生一种特殊情况:其中一个虚粒子被吸入事件视界,而另一个则逃逸。这种逃逸表现为黑洞能量的蒸发,因为虚粒子本身携带着能量。
这一现象,就是所谓的霍金辐射。
虽然霍金辐射的过程极其缓慢,相对于黑洞巨大的质量来说,蒸发的能量只是沧海一粟,但时间的积累可以改变一切。随着漫长岁月的流逝,即便是最庞大的黑洞,也会慢慢蒸发直至消亡。
然而,随之而来的问题是:黑洞通过霍金辐射完全蒸发之后,原先被吸入的物体信息去了哪里?
依照经典力学的观点,信息不会无缘无故消失,物体虽逝,信息永存。但黑洞的蒸发过程却暗示,连基本的信息也随之湮灭,这便是所谓的“黑洞信息悖论”。
关于这个悖论,霍金的见解是,在黑洞蒸发的过程中,所有的信息并未彻底消失,而是在某种程度上被破坏,并转化为黑洞蒸发时产生的新规律(这些规律目前尚未为人所知)。
另有物理学家提出了另一种解释,即物体的信息并未真正消失,从黑洞释放出的能量(即辐射)中,依然包含了信息。这是量子物理学的观点,认为物质的存在形式可以转换,但绝不会无故消失。
而经典物理学观点认为,被黑洞吞噬的物体已彻底消失,即使黑洞最终蒸发,物体的信息也不复存在。
黑洞信息悖论,不仅揭示了爱因斯坦广义相对论与量子力学之间的矛盾和不和谐,也暗示着黑洞深处可能隐藏着更为高级的自然法则。因为在我们所生活的宇宙中,不可能存在两个相互矛盾的物理定律。
对于这个悖论,霍金还有一种观点,他认为被黑洞吞噬的物体并未彻底消失,而是进入了另一个宇宙。黑洞成为连接我们宇宙与另一个宇宙的“通道”。由于黑洞有能力无限拉伸时空结构,理论上,它可以通往另一个时空,另一个宇宙。
这种观点目前仍停留在猜测阶段,很难得到证实。
虽然量子力学和相对论是现代物理学的两大支柱,但实现两者的统一是所有物理学家努力的方向。前沿的弦理论为我们提供了指引,物理学家们正朝着这个方向努力迈进!