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科學人雜誌 11月號/2022:黑洞、蟲洞、量子纏結

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內容簡介

黑洞、蟲洞、量子纏結

撰文/阿姆黑利(Ahmed Almheiri)、繪圖/坎貝爾(Harry Campbell)、翻譯/高涌泉

自1974年以來,理論物理學長期籠罩在危機當中,原因是霍金(Stephen Hawking)在那年提出了一個論證,認為黑洞會摧毀資訊。霍金證明黑洞會蒸發,而逐漸把自身與它所吞食的任何東西轉變成一團沒有特徵的輻射。很明顯地,如此一來,就喪失「什麼東西墜入黑洞」的資訊,違背了一項神聖的物理原理。過去45 年間,物理學家一直沒能解決這個問題。但是到了2019 年,我所參與的研究團隊開始拼湊出一個解答。這個答案的基礎是一種對於時空的新理解,以及時空如何透過量子纏結可以重新串連起來,由此產生了一個新點子:黑洞內的某一部份,我們團隊稱之為「島」(island),能秘密地連結到黑洞之外。若要理解我們團隊如何得到這些新點子,就必須從黑洞的本質開始說明。

宇宙單行道
想從黑洞內跑出來似乎是一件完全不可能的事;事實上,我們正是用這件不可能的事來定義黑洞。當足夠多的物質局限在足夠小的區域之內,使得時空在一個狂暴的回饋迴路(一連串的擠壓又繃拉)中塌陷下來,黑洞就形成了。潮汐力在有限的時間內,變成為無窮大,意味著在所謂的黑洞奇異點(singularity,即時間停止、空間失去意義的地方),整個時空區域會突然中斷。在崩塌的區域中,有個細微的界線,區隔了能夠逃離與無法回頭的區域。這個界線就稱為事件視界(eventhorizon),是光線幾乎可以避免掉入奇異點最外圍的時空點。只要沒有超光速運動(這在物理學上不可能發生),任何東西都不能從事件視界內逃離出來,黑洞內的東西就永遠停留在黑洞裡。這個邊界的單行道本質並不會立即造成問題,其實它正是廣義相對論的一項堅實預測。但是當廣義相對論遇上奇異的量子力學,危機就來了。

無中生有的粒子
量子理論讓天生就具有貪婪怪物形象的黑洞獲得了救贖:黑洞所吞食進來的一切能量,終究會以霍金輻射(Hawking radiation)的形式又吐出來──霍金輻射即是從事件視界附近的真空所榨取出來的能量。
無中生有的想法聽起來很荒謬。但是荒謬還不是對於量子力學最糟糕的控訴。量子理論中的真空其實並非真的空無一物,反而是充滿了粒子,例如光子、電子、重力子,但是它們聯合起來讓我們感覺真空真的是空無一物。這些粒子很仔細地兩兩配對起來,合作無間像是把時空聚在一起的膠。
如果有一對粒子,一個在內、一個在外,跨越了某個黑洞的事件視界,而兩個粒子後來永遠地分離開來。它們沿著相反方向離開事件視界,其中一個粒子將撞上奇異點,另一個粒子則以霍金輻射的形式擺脫黑洞的重力逃離出來。這個過程會逐漸抽走黑洞的能量,讓黑洞以發出粒子的方式丟失能量,以致於變得越來越輕、越來越小。能量守恆定律告訴我們,被困在黑洞內部的粒子必定帶有負能量,方能使得黑洞的總能量變小。......

作者簡介:

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