霍金：「黑洞不存在」

Stephen Hawking: 'There are no black holes'
http://www.nature.com/news/stephen-hawking-there-are-no-black-holes-1.14583

物理學家宣稱，「沒有任何東西能從事相面（event horizon）逃脫」這個想法，與量子理論並不相容。

By Zeeya Merali, 24 January 2014
Nature (doi:10.1038/nature.2014.14583)

絕大部分的物理學家，如果把心一橫，寫了一篇論文宣稱「黑洞並不存在」 -- 至少不是就我們一般所想像的 -- 很可能會被斥為「怪咖（cranks）」。但是當這個重新定義這些宇宙論點的聲音來自霍金（Stephen Hawking）時，那就值得關注了。在線上一篇論文裡，這位物理學家（位於英國劍橋大學，現代黑洞理論的創造者之一）屏棄了「事相面」的概念。這個看不見的邊界，被認為裹住了每個黑洞，任何東西，甚至是光，都無法逃出。

取而代之地，霍金的激進提議是一個更加和藹可親的「視相面（apparent horizon）」，最終將物質與能量釋放之前，那只會暫時滯留這些「俘虜」，儘管是以一種更加混亂的（garbled）形態。

"在古典理論中，沒有東西能從黑洞逃出來，" 霍金表示。然而，量子理論卻「能使能量與資訊從黑洞逃離」。物理學家承認，此一過程的完整解釋需要一個理論，能成功地將引力與自然界中其他的基本力合併。但這個目標已經困惑物理學家將近一個世紀了。霍金表示：「正確的對待，仍是個謎」。

霍金於一月 22 日在 arXiv 預印服務上貼出他的論文（http://arxiv.org/abs/1401.5761）。他異想天開地將之命名為「Information preservation and weather forecasting for black holes（黑洞的資訊留存與天氣預測）」，而且那尚未通過同儕審核。這篇論文是根據他在 2013 年八月透過 Skype 在加州聖塔芭芭拉 Kavli 理論物理學研究所的一場會議上所進行的演說（觀看這場視訊演說：http://online.kitp.ucsb.edu/online/fuzzorfire_m13/hawking/）


開火

霍金的新研究是一種嘗試，試圖要解決所謂的「黑洞防火牆悖論（black-hole firewall paradox）」，那使物理學家煩惱了近乎二年。這個悖論由 Kavli 研究所的理論物理學家 Joseph Polchinski 及其同僚所發現（參見：「Astrophysics: Fire in the hole!」，http://www.nature.com/news/astrophysics-fire-in-the-hole-1.12726）。

在一個思想實驗中，研究者問：如果一個不夠幸運的太空人落入一個黑洞時，將會發生什麼事？事相面是愛因斯坦廣義相對論在數學上的簡單結果，那率先由德國天文學家 Karl Schwarzschild 於 1915 年末在寫給愛因斯坦的一封信中指出（http://alberteinstein.info/vufind1/Record/EAR000006266）。這時離廣義相對論發表後還不滿一個月。在那幅景象中，物理學家長久以來都假設，這位太空人漸漸被往內拉之前，將愉快地通過事相面，察覺不到近逼他或她的毀滅 -- 一路上像義大利麵條那樣被拉長 -- 最終撞上奇異點（singularity），黑洞在理論上密度無限大的核心。

不過詳細分析此等狀況之後，Polchinski 的團隊愕然領悟到，量子力學的定律（那主宰小尺度的粒子）使情況完全改觀。他們說，量子理論指出，事相面事實上會被轉換成一個高能區域，或稱「防火牆（firewall）」，那會把太空人燒個精光。

這使人驚恐，雖然「防火牆」遵循量子法則，不過它卻蔑視愛因斯坦的廣義相對論。根據該理論，某人在自由墜落時應當察覺在宇宙中的每一處物理定律應該都一樣 -- 不管他們正墜入一個黑洞或是漂浮在虛無的星系空間。正如愛因斯坦所關注的，事相面應當是一個不起眼的地方。


眼界之外

現在霍金提出第三種選擇，那令人擔心的簡單。量子力學與廣義相對論依然原封不動，不過黑洞只差沒有所謂的事相面可以「惹火」。其主張的關鍵是，黑洞周遭的量子效應導致時空的波動太過瘋狂，以至於一個有形的邊界表面無法存在。

在事相面所在之處，霍金引用了「視相面（apparent horizon）」，在那表面上試圖要逃離黑洞核心的光線將會被中止（suspended）。在廣義相對論中，對於一個不會變化的黑洞而言，這二種相面（horizon，視界）是一模一樣的，因為試圖從黑洞內部脫離的光線只能到達事相面，而且將會被留在那裡，彷彿黏在踏步機（treadmill）上。然而，在原則上，這二種相面可以被辨別。如果更多物質被黑洞吞噬，其「事相面」將會膨脹，且變得比「視相面」大。

相反的是，在 1970 年代，霍金也證明黑洞能緩慢縮小，噴出「霍金輻射（Hawking radiation）」。在那個例子中，理論上，事相面將變得比視相面小。霍金的新提議是，視相面是「真正的邊界」。"「事相面」的不存在意味著那裡並沒有「黑洞」 -- 就物理條件（regimes）而言，在那裡的光無法逃向無限大，" 霍金寫道。

"霍金所給的這幅景象聽起來很合理，" Don Page 說，加拿大 Edmonton， Alberta 大學的物理學家與黑洞專家，他曾在 1970 年代與霍金合作。"你或許會說：提出事相面不存在太過激進了。但這些是高度的量子狀態，而且那裡就連「時空」是什麼都有點含糊不清，更不用說那裡是否有個明確的區域可以被當作是一個事相面。"

雖然 Page 接受霍金的提議：「沒有事相面，黑洞依然能夠存在」，不過他質疑，光憑那一點是否就足以通過防火強悖論。他告誡，即使一個更短命的「視相面」的存在，也都會引發與事相面一樣的問題。

不像事相面，「視相面」最終能夠分解（dissolve）。Page 提到，霍金把門開向一個非常極端的情節，"原則上任何東西都能離開黑洞"。雖然霍金在其論文中並沒有特別指出視相面會如何消失，不過 Page 懷疑，當它縮水到一定尺寸，在那裡量子力學與重力的效應同時結合，若說視相面會消失，看似有理。在那一點，任何東西一旦陷入黑洞，都將會被釋放（雖然外形不再完整無缺）。

如果霍金是正確的，在黑洞的核心甚至連奇異點都沒有。相反地，物質只會暫時被滯留在視相面中，由於黑洞的拉力，那會漸漸地向內移動，但絕不會撞上中心。關於此物質的資訊不會被摧毀，但將會高度雜亂，所以當它透過霍金輻射釋出時，其樣貌將會大大改變，使得它幾乎不可能恢復成原本被吞噬的物體。

"如果你把一本書燒成灰，那可能會比從一堆書的灰燼中重建一本書還要更加糟糕，" Page 說。在霍金的論文中，他將之與事先預測天氣相比：在理論上，那是可能的，不過在實際上，要非常準確地辦到會很困難。

然而，Polchinski 則懷疑，如果一個黑洞沒有事相面，還能夠存在於自然中？要消除它的那種等級的激烈波動，在宇宙中太罕見了，他說。"在愛因斯坦的引力中，黑洞視界與宇宙其他部份並沒有這麼不同，" Polchinski 說。"我們不曾在我們的鄰近區域中看見時空波動：在大尺度下，那太稀有了。"

Raphael Bousso（UCB 一位理論物理學家，霍金以前的學生）表示，這個最新貢獻強調，發現防火牆可能存在的物理學家有多「壞（abhorrent）」。不過，他也對於霍金的解答提出警告。"黑洞沒無法讓你逃離的點。在某些方面，甚至是一個比防火牆的存在更加激進與充滿問題的提議，" 他說。"但事實上，在霍金第一篇關於黑洞與資訊的論文提出 40 年後，我們仍在討論這些問題，是其意義非凡的明證。"

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