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你能想象吗？有的黑洞或许允许一个完全“无因果论”的世界存在

百家作者：DeepTech深科技 2018-03-01 11:03:48

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在现实世界中，你的过去从某种程度来说可以影响你的未来。而对于一名物理学家来说，如果知道宇宙开始时的信息，他就能计算出宇宙在诞生后任意一个时空点所处的状态。

但就在最近，加州大学伯克利分校的一位数学家发现，宇宙中或许存在着不遵循因果之矢的黑洞。而如果有人进入了这种黑洞，他有可能会存活下来，但他的过去会被“清除”，而他本人也将迎来与过去无关，无限种可能的未来。

虽然以前就有人提出过这种说法，但物理学家们用“强力的宇宙审查（strong cosmic censorship）”来“排除”这种情况。简单来说就是，当一个人将要进入一个未来不受过去影响的时空时，他就会被“干掉”，因为宇宙不能允许这样的情况出现。宇宙审查理论于 40 年前由物理学家 Roger Penrose（罗杰·彭罗斯）首次提出，现已成为理论物理大厦的基石之一——假如已知一个事物过去和现在的状态，那该事物便只有一种可能的未来。

但加州大学伯克利分校的博士后 Peter Hintz 说，数学计算表明，对于像我们所处的宇宙，这个正在以加速速度扩张的宇宙中的某些特殊黑洞来说，一个完全没有“确定性”的世界确实可能存在。

虽然科学家对于一个不存在“确定性”的时空还不是很了解。但 Peter Hintz 表示，该发现并不意味着迄今完美描述了宇宙演变的广义相对论方程存在问题。

Peter Hintz 说：“目前来说，肯定没有物理学家能进入这种黑洞并收集数据，这是一个纯粹的数学问题，但其物理意义使爱因斯坦的方程式在数学上变的更加有趣。它具有物理意义，这个意义甚至更偏向哲学上的含义，这很酷。”

但葡萄牙里斯本大学（University of Lisbon）的 Vitor Cardoso, João Costa 和 Kyriakos Destounis，以及乌得勒支大学（Utrecht University）的 Aron Jansen 认为，“该理论发现意味着广义相对论中决定论的失败，鉴于现代宇宙论对于解释宇宙加速扩张的重要性而言，这种问题需要得到谨慎处理。”而没有参与这项研究的加州圣巴巴拉分校的 Gary Horowitz 也表示，该研究发现提供了“他所知的关于在重力和电磁学理论中宇宙强大审查理论不成立的最好证据。”

一个针对该类黑洞的计算机模拟展示了空间和时间的扭曲过程，以及当你接近其内部或柯西视界时的光线的移动。虽然大多数物理学家认为如果你进入该黑洞，你就将被“移除”，但加州大学伯克利分校的这位数学家认为，你或许能够幸存下来。该视频基于 John Hawley 所编写的超级计算机模拟程序，其动画由 Andrew Hamilton 制作。

跨越视界（Event Horizon）

黑洞是一种奇怪的天体，任何事物都无法从它们的引力中摆脱出来，就算是光也不能。如果你过于靠近它们并跨越所谓的视界，你将永远不能再从其引力中逃脱出来。

如果是较小的黑洞，你无论怎样都无法活着进入它们的视界。它们视界附近的引力足以使任何事物都化为乌有，即被拉伸至直到它变成一串原子。

但对于大型黑洞来说，就像银河系中心的超大质量物体一样，它们重达数千万甚至数十亿倍于一颗恒星的质量，跨越它们的视界将会是一件可以被允许发生的事。

因为在这种情况下从我们的世界进入黑洞的世界是可能的，物理学家和数学家一直都不知道黑洞内世界会是什么样子，他们用爱因斯坦的广义相对论方程来预测黑洞内部的世界。在某种程度上，这些方程将黑洞解释的很好，但当观察者到达黑洞的中心（奇点）时，时空曲率将趋近无穷。

然而，对于一名勇敢进入黑洞探险的探险家来说，他将无法与外界通信，并很有可能在抵达奇点前就已经丧命。Hintz 研究了一种特定类型的黑洞————带电荷的标准非旋转黑洞，允许在视界内存在一个所谓的柯西视界（Cauchy Horizon）。

这个柯西视界便是决定论不再成立的地方，在柯西视界中，“过去”不再影响“未来”。包括彭罗斯在内的很多物理学家都认为，由于宇宙审查理论，任何观察者都将在跨过柯西视界点前被“移除”。

正如物理学家们所言，随着观察者不断接近视界，时间会因为强引力场而减慢（相对地球上人所经历的时间）。就像光线一样，任何遇到黑洞的东西都将不可避免地向柯西地平线坠落，观测者也会向柯西视界坠落，但他最终会看到所有的这些能量都在同时“进入”柯西视界内。事实上，所有进入黑洞的能量都在同时“进入”柯西视界。

图 | 一颗带电球形恒星的重力坍缩形成带电黑洞的时空图。成功跨越视界的观察者最终会抵达柯西视界，这一决定论成立的边界。

一个不断膨胀的宇宙

但 Hintz 意识到，上述情况可能不适用于正在加速的扩张宇宙，比如我们所处的宇宙。由于时空间距越来越大，远处的宇宙或许根本不会影响黑洞，因为这种能量的传播速度不能超过光速。

事实上，可以进入黑洞的能量只有那些被包含在可观测视界内的能量：黑洞在其存在过程中所“观察”到的宇宙体积。

在这种情况下，宇宙的膨胀能够抵消黑洞内部时间膨胀（time dilation）造成的放大效应，有时甚至是完全抵消。在这种情况下，特别是对于那些带有大量电荷的光滑非旋转黑洞，即所谓的 Reissner-Nordström-de Sitter 黑洞来说，观察者可以穿过柯西视界并进入没有“确定性”的世界。

Hintz 表示：“爱因斯坦方程所允许的一些精确解是完美的，不会导致无穷大的引力，能够解释柯西视界和柯西视界内的情况。通过视界的过程会很痛苦但也很简短，在跨过视界后，在某些情况下，例如 Reissner-Nordström-de Sitter 黑洞，人们可以完全避免到达中心奇点，并永远活在一个没有“确定性”的宇宙中。”

但 Hintz 同时也认为，这类黑洞在现实中不太可能存在，因为它们会吸引相反电荷的物质直至变成中性。然而，带电黑洞的相关数学解将被用作描述旋转黑洞内的情况。Hintz 认为，Kerr-Newman-de Sitter 黑洞，这种光滑的旋转黑洞的行为可能与带电荷的光滑非旋转黑洞相同。

Hintz 与 Cardoso 及其同事合作，在数学上发现了这类黑洞，他们计算了黑洞在引力波作用下的“响声”以及这种“响声”的“音调”和持续时间最长的情况。在某些情况下，即使是存活时间最长的频率也会快速衰减，以防止放大效应将柯西视界转变为死区。

Hintz 的论文已经引出了其他的许多新论文，其中的一篇就声称，大多数行为良好的黑洞不会违反决定论。但 Hintz 坚持认为，宇宙中存在着很多这种“一次性”违规事件，你并不能保证这种情况就不会存在。

Hintz 表示：“自 90 年代中期以来，强宇宙学审查理论在各种情况下都成立让人们变得自满，但现在我们已经它发起了挑战。”

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编辑：Peter 校审：黄珊

参考：

https://phys.org/news/2018-02-black-holes-erase.html