2014年5月13日 星期二

DDS042-「黑洞(VI)」-「黑洞」是否真的存在?

前五篇短文(DDS036-38DDS040-41),我連續就「黒洞」的相關議題,向讀者老爺您做了一些簡要的介紹,本以為就此可以打住,那知,平地一聲雷,集畢生精力,鑽研「黑洞」的赫赫有名學者「霍金(Steve Hawking)」教授(見下幅他去年 9 月間,在劍橋大學長廊的近照,creditGetty),居然針對「黑洞」,是否真的存在,提出了質疑,甚而宣稱:「沒有黑洞(there are no black holes)」,「黑洞」是不存在的,根本就沒有所謂「黒洞」這檔事。


這個宣吿,主要是來自「霍金」博士,年初時以 "Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes" 為題,在著名的「自然(Nature)」科學期刋上發表的論文(doi:10.1038/nature.2014.14583;見下圖,creditNature Publishing Group)。一夕之間,即刻引來所有科學媒體的關注,更以聳動的斗大標題:「黑洞不存在」,競相報導。這到底是怎麼一回事?為什麼,「霍金」教授竟推翻了他自己賴以成名,並嘔盡其畢生心血鑽研的「黑洞」的存在?這其中的來龍去脈和完整的事實真相又是如何?讓我不得不再以此文,為讀者做一更精確的說明,希望能有助於這整個事件的釐清。


〔註一:該文其實是源自「霍金」博士,去年四月及八月間,先後在加州理工學院(California Institute of TechnologyCaltech)和加州 Santa Barbara Kavli 理論物理研究中心的兩個演講內容;註二:該文雖然還有待通過最後的審查(peer review),但其原稿已先見諸 arXiv 網站http://arxiv.org/abs/1401.5761有興趣的讀者,可自行前往該網站查閱。〕

事實上,深究起來,「霍金」博士的這個「真情告白」,可説是其來有自的,早在 1970 年代,他就著文指出,「黒洞」並不全然「只進不出」(everything goes in, nothing comes out;即所有物質越過 「event horizon」後,即被「黒洞」的無限大「引力」所吞噬殆盡),而是「有進有出」(例如,以他為名的「霍金輻射(Hawking radiation);見前文 DDS038」,由「黑洞」熾射釋放出來;見下圖,creditNASA/JPL-Caltech)。因此,「霍金」博士認為,傳統上用來定義「黑洞」的「event horizon」是有瑕疵(flaw)的,他甚至提出應以「apparent horizon」來替代「event horizon」,因為後者只是「有進無出」,而前者卻能「有進有出」,才能更適切地用來詮釋「黑洞」的真實全貎。依據此新的見解,既然「event horizon」並不確切存在,利用它來設定的「黒洞」,也就跟著不存在了。


讀者千萬不要小看,以上這個看似平易無奇,好像又有點無聊的問題(即「黑洞」到底是「只進不出」還是「有進有出」?)。要知道,這問題的背後,牽扯的可是理論物理學家,百年來苦思不得其解的夢魘(即如何才能把「廣義相對論(general relativity)」和「量子力學(quantum mechanics)」,這兩大近代物理學的支柱融合為一?)。就「黑洞」而言,由於其無限巨大的「引力」作用,使得「廣義相對論」和「量子力學」,在此時空極度曲伏的情境下,無法趨於一致(reconcile)。例如,兩者對於宇宙萬物的各種「訊息(information;包括所有的能量和物質)」,在越過「event horizon」,進入「黑洞」後,是否還能完整保存下來,爭持不下。前者認為所有這些訊息(包括太空人),由於「黒洞」的巨大「引力」,將被吞噬殆盡,一去無踪;但後者認為,這些「訊息」,在越過「event horizon」後,仍然能被存留下來。此兩學說所得的不同演繹/推論結果(consequences),稱之為「黑洞訊息悖論(the black hole information paradox);見文末「註」之說明」。

就此而言,「霍金」博士認為,要彌合「廣義相對論」和「量子力學」在「event horizon」的窘境,就必須允許萬物(包括所有物質和能量)進入「黑洞」後,能被停留一段時間再釋出,如此一來,傳統上所定義的「event horizon」當然就不存在了。另外,此「apparent horizon」之形態、大小和範圍,又依「黑洞」其內部量子擾動(quantum fluctuations)的不同而有所不同,甚至由於在「黑洞」周遭的「時空」變動太大,並無法形成一眀顯的界面(a sharp boundary surface)。依「霍金」博士的見解(見其論文標題),萬物進入「黑洞」之後,就如同我們在地表上所做的天氣預報(weather forecasting),固然依當時的資訊(information:即相關的氣侯參數),可預測出未來不同的天氣型態,但當時用來預測此天氣的所有資訊,卻不存在了。他的深義是説,那些由「黒洞」釋出來的資訊,它的本質已和原始的資訊大大的不同了,因此也無法用來解釋回溯它原本的面貌。換言之,「霍金」博士對「黑洞」「event horizon」的重新詮釋,就是在不動搖「廣義相對論」和「量子力學」的前題下,提出第三種見解,

因此,「霍金」博士說「黑洞」不存在的真義,指的是過去傳統上定義下的「黑洞」不存在,而不是説,「黑洞」這個天文景象不存在,媒體對此的報導,顯然是一種跳躍式的過於簡化了「霍金」博士的本意。白話點來説,「霍金」博士只是認為,這個過去我們認為「黒洞」的「黑(black)」,還不夠「黑」,頂多只能說是「灰(grey)」(記住,「黑」在此為形容詞,我們之所以稱之為「黑」洞,主要是因任何物質(包括光線)均無法脫逸離開它,使我們肉眼無法窺見,所謂「一片漆黑」。現在要是有些物質被證實也能由它逸出,那當然就不是全「黑」了!)

〔註一:有關此「悖論」之歧見,有學者(如密西根州立大學的 Chris Adami 教授)認為,只要允許「黑洞」激發出來的輻射(包括「霍金輻射」),能保有當時越過「event horizon」,進入「黒洞」時的訊息(information),就能解釋此歧見,就如同使用影印機,你置入任何文件,應得到相同的文件影印出來。

註二:以上「悖論」廻然不同的論述,主要還是在於兩者指涉的時空「尺度(scale)」不同;「廣義相對論」探究的是環宇的巨大時空尺度,依其理論可精準預測物體運動的規律,而「量子力學」探究的是次原子尺度下,粒子的行為運動模式,而且僅能以統計的或然率方式,予以闡述。


註三:至於對這「event horizon」的質疑,其實早在2000 年,就有位印度學者(Abhas Mitra)著文指出,傳統定義下的「event horizon」和「黑洞」是不可能存在的,必須稱之為「灰洞(grey hole)」(但並未引起主流科學界和媒體的重視,你看又是「人輕言微」惹的禍)。他在文中指出,由於在「黒洞」處的溫度太高,使得「中子(neutrons)」和「質子(protons)」都被融化形成一往外的輻射,此向外輻射所造成的壓力(outward radiation pressure),和向內的「引力」達到一種平,最終導致「黒洞」的塌陷和毀滅,因此不可能形成所謂的「黑洞」。因此,他認為現在霍金博士宣稱「黒洞」不存在,對他而言,其實一點也不意外。〕