科學(xué)家電腦模擬出墜入黑洞奇異景象
2009年4月3日
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據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家日前實(shí)施了一項(xiàng)電腦模擬實(shí)驗(yàn)，演示了在墜入黑洞過(guò)程中可能看到的景象。這項(xiàng)研究結(jié)果將有助于物理學(xué)家理解黑洞物質(zhì)和能量似乎自相矛盾的命運(yùn)。
似被無(wú)盡邊界吞噬
美國(guó)科羅拉多大學(xué)研究人員安德魯·漢密爾頓和加文·波爾赫默斯(Gavin Polhemus)根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論原理，建了一個(gè)電腦模擬系統(tǒng)，用以描述重力如何扭曲空間和時(shí)間。他們還虛構(gòu)了一個(gè)觀察者的命運(yùn)，讓此人從軌道中墜入一個(gè)質(zhì)量是太陽(yáng)500萬(wàn)倍的巨大黑洞中，這相當(dāng)于銀河系中心黑洞大小。
當(dāng)觀察者逐漸接近黑洞時(shí)，一個(gè)黑圈在包含這個(gè)黑洞的星系四周忽隱忽現(xiàn)，這其實(shí)是“事件穹界”(event horizon)，即黑洞周圍讓物質(zhì)有去無(wú)回的邊界，在邊界以外觀測(cè)不到邊界以內(nèi)的任何事件。黑洞后面恒星釋放的光被這一無(wú)盡邊界所吞噬，而來(lái)自其他恒星的光則僅僅被黑洞印力作用所彎曲，在黑洞周圍形成了一個(gè)變形的圖像。
對(duì)于遙遠(yuǎn)的觀察者來(lái)說(shuō)，事件穹界的規(guī)模有一個(gè)“史瓦西半徑”(Schwarzschild Radius，即臨界半徑，恒星的質(zhì)量越大，其史瓦西半徑越大)大小——對(duì)于這個(gè)黑洞來(lái)說(shuō)是1500萬(wàn)公里。所以，雖然你離黑洞越來(lái)越近，仍會(huì)感覺(jué)黑洞還很遙遠(yuǎn)。即便在你穿越了史瓦西半徑以后，你前方的光線仍被吞噬，從你的視覺(jué)來(lái)看，是永遠(yuǎn)無(wú)法抵達(dá)事件穹界的。
強(qiáng)大潮汐作用力
在模擬過(guò)程中，漢密爾頓和波爾赫默斯在事件穹界上標(biāo)注紅格子，使得這個(gè)邊界看上去更形象。因?yàn)槭录方绯是蛐，紅格子上的兩個(gè)圓代表中央黑洞的“南北兩極”。當(dāng)你穿過(guò)史瓦西半徑，另一個(gè)人工視覺(jué)輔助標(biāo)記也會(huì)跳出來(lái)。這個(gè)視覺(jué)輔助標(biāo)記是白格子，圍繞你所在位置，標(biāo)示出遙遠(yuǎn)觀察者在事件穹界的位置——如果別人與你一起穿過(guò)這一邊界，你會(huì)在此看到他們墜入黑洞深淵。
最奇特的一幕會(huì)等到你生命的最后一刻。你離黑洞中心如此之近，甚至能感覺(jué)到強(qiáng)大的潮汐作用力。若是腳朝下墜入黑洞，你頭部的引力比腳的引力弱一些。這種力量會(huì)將你撕裂，還將影響落在你身體周圍的光——頭部上面的光被拉伸，逐漸過(guò)渡至紅色光譜范圍，最終進(jìn)入空白狀態(tài)，此時(shí)，你整個(gè)視野將被擠壓到一個(gè)水平環(huán)地帶。
黑洞特性自相矛盾
整個(gè)模擬過(guò)程可能會(huì)揭開(kāi)黑洞之謎。量子計(jì)算(Quantum calculation)看上去表明，黑洞內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜——在之前的研究中，科學(xué)家得出過(guò)這樣的結(jié)論，那就是模擬實(shí)驗(yàn)中在黑洞里可能會(huì)形成更多的“熵”(entropy，熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)，用于量度系統(tǒng)無(wú)序性)，其數(shù)量超出外部觀測(cè)者所看到的信息。
這就像是舊有黑洞信息悖論的“超動(dòng)力版本”，該理論將墜入黑洞的物體或信息毀滅與量子力學(xué)針?shù)h相對(duì)。量子力學(xué)宣稱量子信息(quantum information)永遠(yuǎn)不會(huì)喪失。問(wèn)題可能是，我們的空間視野很狹隘？臻g視野在黑洞內(nèi)部會(huì)分開(kāi)。
為計(jì)算出全部的熵，漢密爾頓和波爾赫默斯假設(shè)，你將所有可能狀態(tài)都加起來(lái)，物質(zhì)和能量在空間中占據(jù)不同的點(diǎn)。不過(guò)，與其他的理論家一樣，他們認(rèn)為這種稱為“位置方向”(locality)的常規(guī)推理在黑洞內(nèi)部不起作用。
空間不同點(diǎn)可能以某種方式分享相同的狀態(tài)，但具體過(guò)程還是一個(gè)謎。諸如此類的模擬實(shí)驗(yàn)或許有助于揭開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)。漢密爾頓說(shuō)：“我們的模擬實(shí)驗(yàn)接近奇點(diǎn)(Singularity)，似乎整個(gè)三維宇宙被壓縮成二維表面！辈贿^(guò)，這是否預(yù)示二維圖更重要就不得而知了。漢密爾頓說(shuō)：“這是否具有任何重要意義？我也不知道！
似被無(wú)盡邊界吞噬
美國(guó)科羅拉多大學(xué)研究人員安德魯·漢密爾頓和加文·波爾赫默斯(Gavin Polhemus)根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論原理，建了一個(gè)電腦模擬系統(tǒng)，用以描述重力如何扭曲空間和時(shí)間。他們還虛構(gòu)了一個(gè)觀察者的命運(yùn)，讓此人從軌道中墜入一個(gè)質(zhì)量是太陽(yáng)500萬(wàn)倍的巨大黑洞中，這相當(dāng)于銀河系中心黑洞大小。
當(dāng)觀察者逐漸接近黑洞時(shí)，一個(gè)黑圈在包含這個(gè)黑洞的星系四周忽隱忽現(xiàn)，這其實(shí)是“事件穹界”(event horizon)，即黑洞周圍讓物質(zhì)有去無(wú)回的邊界，在邊界以外觀測(cè)不到邊界以內(nèi)的任何事件。黑洞后面恒星釋放的光被這一無(wú)盡邊界所吞噬，而來(lái)自其他恒星的光則僅僅被黑洞印力作用所彎曲，在黑洞周圍形成了一個(gè)變形的圖像。
對(duì)于遙遠(yuǎn)的觀察者來(lái)說(shuō)，事件穹界的規(guī)模有一個(gè)“史瓦西半徑”(Schwarzschild Radius，即臨界半徑，恒星的質(zhì)量越大，其史瓦西半徑越大)大小——對(duì)于這個(gè)黑洞來(lái)說(shuō)是1500萬(wàn)公里。所以，雖然你離黑洞越來(lái)越近，仍會(huì)感覺(jué)黑洞還很遙遠(yuǎn)。即便在你穿越了史瓦西半徑以后，你前方的光線仍被吞噬，從你的視覺(jué)來(lái)看，是永遠(yuǎn)無(wú)法抵達(dá)事件穹界的。
強(qiáng)大潮汐作用力
在模擬過(guò)程中，漢密爾頓和波爾赫默斯在事件穹界上標(biāo)注紅格子，使得這個(gè)邊界看上去更形象。因?yàn)槭录方绯是蛐，紅格子上的兩個(gè)圓代表中央黑洞的“南北兩極”。當(dāng)你穿過(guò)史瓦西半徑，另一個(gè)人工視覺(jué)輔助標(biāo)記也會(huì)跳出來(lái)。這個(gè)視覺(jué)輔助標(biāo)記是白格子，圍繞你所在位置，標(biāo)示出遙遠(yuǎn)觀察者在事件穹界的位置——如果別人與你一起穿過(guò)這一邊界，你會(huì)在此看到他們墜入黑洞深淵。
最奇特的一幕會(huì)等到你生命的最后一刻。你離黑洞中心如此之近，甚至能感覺(jué)到強(qiáng)大的潮汐作用力。若是腳朝下墜入黑洞，你頭部的引力比腳的引力弱一些。這種力量會(huì)將你撕裂，還將影響落在你身體周圍的光——頭部上面的光被拉伸，逐漸過(guò)渡至紅色光譜范圍，最終進(jìn)入空白狀態(tài)，此時(shí)，你整個(gè)視野將被擠壓到一個(gè)水平環(huán)地帶。
黑洞特性自相矛盾
整個(gè)模擬過(guò)程可能會(huì)揭開(kāi)黑洞之謎。量子計(jì)算(Quantum calculation)看上去表明，黑洞內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜——在之前的研究中，科學(xué)家得出過(guò)這樣的結(jié)論，那就是模擬實(shí)驗(yàn)中在黑洞里可能會(huì)形成更多的“熵”(entropy，熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)，用于量度系統(tǒng)無(wú)序性)，其數(shù)量超出外部觀測(cè)者所看到的信息。
這就像是舊有黑洞信息悖論的“超動(dòng)力版本”，該理論將墜入黑洞的物體或信息毀滅與量子力學(xué)針?shù)h相對(duì)。量子力學(xué)宣稱量子信息(quantum information)永遠(yuǎn)不會(huì)喪失。問(wèn)題可能是，我們的空間視野很狹隘？臻g視野在黑洞內(nèi)部會(huì)分開(kāi)。
為計(jì)算出全部的熵，漢密爾頓和波爾赫默斯假設(shè)，你將所有可能狀態(tài)都加起來(lái)，物質(zhì)和能量在空間中占據(jù)不同的點(diǎn)。不過(guò)，與其他的理論家一樣，他們認(rèn)為這種稱為“位置方向”(locality)的常規(guī)推理在黑洞內(nèi)部不起作用。
空間不同點(diǎn)可能以某種方式分享相同的狀態(tài)，但具體過(guò)程還是一個(gè)謎。諸如此類的模擬實(shí)驗(yàn)或許有助于揭開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)。漢密爾頓說(shuō)：“我們的模擬實(shí)驗(yàn)接近奇點(diǎn)(Singularity)，似乎整個(gè)三維宇宙被壓縮成二維表面！辈贿^(guò)，這是否預(yù)示二維圖更重要就不得而知了。漢密爾頓說(shuō)：“這是否具有任何重要意義？我也不知道！
