宇宙引力的祕密:引力子是如何逃出黑洞的?

黑洞 宇宙 物理 力學 核聚變 日食 天文在線 2019-04-24

1991年一次日食活動中我向David Schramm提出了下面的問題。他認真地回答了我的問題,但是我實在不明白他所說的原理。


宇宙引力的祕密:引力子是如何逃出黑洞的?


如果說光子攜帶電磁力,引力子攜帶萬有引力,而光子和引力子都無法逃逸黑洞,那麼,如何感知黑洞引力井的梯度引力呢?如果巨大黑洞中的信息永遠丟失了,又如何得知物質是怎樣強烈地被吸入黑洞的?如果不能感知到來自黑洞的引力,為什麼不從安全的地方到達一個圍繞著黑洞的軌道上呢?如果不知道附近存在巨大天體,為什麼會出現時空彎曲呢?


宇宙引力的祕密:引力子是如何逃出黑洞的?


這些問題已經困擾我19年了。十幾歲的時候,我曾假設有一個類似“費米年齡/長度”(不是值)的東西,所以,我知道自己非常聰明,但不善表達,這讓我困惑不已。


宇宙引力的祕密:引力子是如何逃出黑洞的?


這是一個富有洞察力的問題。我對Dr. Schramm的回答很感興趣。無論如何,回答這些問題都是有點微妙的。在此我用萬有引力理論來處理,但是這些理論同樣需要運用電磁學。按照廣義相對論的術語,萬有引力僅僅代表著圍繞著黑洞的時空曲率。黑洞只是時空中很彎曲的部分,它不需要向宇宙中的其它部分傳遞信息,因為它已經呆在那裡等待著路過的實驗粒子。這個區域(按照傳統力學)被認為是一個“化石場”,它由不斷隕落的恆星構成。對外部的觀測者來說,由於時間膨脹,這些恆星從來沒有真正跨越穹界。


宇宙引力的祕密:引力子是如何逃出黑洞的?


按照量子力學,情況有點不同。注意,到目前為止還沒有關於萬有引力的量子學理論,但是我們對它的一些固有特性還是有所瞭解的。在量子世界,力是由像光子和引力子一樣的虛擬玻色子調節的。關鍵點是這些粒子都是虛擬的,不是真實的。當然,嚴格意義上說,它們是真實的,並且作為總體是能夠探測和測量到的。然而,正如測不準原理所說,因為它們的壽命非常短暫,無法一個一個地探測。


宇宙引力的祕密:引力子是如何逃出黑洞的?


你可能聽說過空間就是一個基本粒子的“泡沫海洋”,粒子和反粒子不斷地出現和消失。這是另一個有關虛擬粒子的表述。本質上,虛擬粒子在它們短暫的生命裡被允許做任何違背因果關係的事情。它們的存在必然違背能量守恆定律,並且它們消失之前也允許它們違背很多其它物理定律。


宇宙引力的祕密:引力子是如何逃出黑洞的?


其中之一就是被限制在光速以下運動。因此,當虛擬引力子和光子到達穹界之上後,它們以超過光速的速度離開奇點,自此它們進入虛擬工作的世界。各種各樣的物理工序使得沒有真實信息會以超光速的速度傳遞。也就是說,如果黑洞突然消失,它的萬有引力在奇點以外CT半徑範圍內還是可以感覺到的。

注:CT是光速和時間的乘積,代表一個半徑為CT的球體,這個球體就是光傳播時的影響範圍。

相關知識

黑洞是根據廣義相對論所推論、在宇宙空間中存在的一種質量相當大的天體和星體。黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡後,發生引力坍縮而形成。黑洞的質量是如此之大,它產生的引力場是如此之強,以致於大量可測物質和輻射都無法逃逸,就連傳播速度極快的光子也逃逸不出來。由於類似熱力學上完全不反射光線的黑體,故名黑洞。


宇宙引力的祕密:引力子是如何逃出黑洞的?


引力子,又稱重力子,一種量子物理學中,基於量子場論的架構,提出的假設基本粒子,這種量子的交換,可產生引力。但目前仍未知是否真正存在。引力子被設想為一個自旋為2、質量為零、不帶電荷的玻色子。為了傳遞引力,引力子必須永遠相吸、作用範圍無限遠及以無限多的型態出現。

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