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科學家電腦模擬出墜入黑洞奇異景象

4月2日消息,據英國《新科學家》雜志報道,美國科學家日前實施了一項電腦模擬實驗,演示了在墜入黑洞過程中可能看到的景象。這項研究結果將有助於物理學家理解黑洞物質和能量似乎自相矛盾的命運。   似被無盡邊界吞噬   美國科羅拉多大學研究人員安德魯·漢密爾頓和加文·波爾赫默斯(Gavin Polhemus)根據愛因斯坦廣義相對論原理,建了一個電腦模擬系統,用以描述重力如何扭曲空間和時間。他們還虛構了一個觀察者的命運,讓此人從軌道中墜入一個質量是太陽500萬倍的巨大黑洞中,這相當於銀河系中心黑洞大小。   當觀察者逐漸接近黑洞時,一個黑圈在包含這個黑洞的星系四周忽隱忽現,這其實是“事件穹界”(event horizon),即黑洞周圍讓物質有去無回的邊界,在邊界以外觀測不到邊界以內的任何事件。黑洞后面恆星釋放的光被這一無盡邊界所吞噬,而來自其他恆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變形的圖像。   對於遙遠的觀察者來說,事件穹界的規模有一個“史瓦西半徑”(Schwarzschild Radius,即臨界半徑,恆星的質量越大,其史瓦西半徑越大)大小——對於這個黑洞來說是1500萬公裡。所以,雖然你離黑洞越來越近,仍會感覺黑洞還很遙遠。即便在你穿越了史瓦西半徑以后,你前方的光線仍被吞噬,從你的視覺來看,是永遠無法抵達事件穹界的。   強大潮汐作用力   在模擬過程中,漢密爾頓和波爾赫默斯在事件穹界上標注紅格子,使得這個邊界看上去更形象。因為事件穹界呈球形,紅格子上的兩個圓代表中央黑洞的“南北兩極”。當你穿過史瓦西半徑,另一個人工視覺輔助標記也會跳出來。這個視覺輔助標記是白格子,圍繞你所在位置,標示出遙遠觀察者在事件穹界的位置——如果別人與你一起穿過這一邊界,你會在此看到他們墜入黑洞深淵。   最奇特的一幕會等到你生命的最后一刻。你離黑洞中心如此之近,甚至能感覺到強大的潮汐作用力。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,逐漸過渡至紅色光譜范圍,最終進入空白狀態,此時,你整個視野將被擠壓到一個水平環地帶。   黑洞特性自相矛盾   整個模擬過程可能會揭開黑洞之謎。量子計算(Quantum calculation)看上去表明,黑洞內部錯綜復雜——在之前的研究中,科學家得出過這樣的結論,那就是模擬實驗中在黑洞裡可能會形成更多的“熵”(entropy,熱力學狀態函數,用於量度系統無序性),其數量超出外部觀測者所看到的信息。   這就像是舊有黑洞信息悖論的“超動力版本”,該理論將墜入黑洞的物體或信息毀滅與量子力學針鋒相對。量子力學宣稱量子信息(quantum information)永遠不會喪失。問題可能是,我們的空間視野很狹隘。空間視野在黑洞內部會分開。   為計算出全部的熵,漢密爾頓和波爾赫默斯假設,你將所有可能狀態都加起來,物質和能量在空間中佔據不同的點。不過,與其他的理論家一樣,他們認為這種稱為“位置方向”(locality)的常規推理在黑洞內部不起作用。   空間不同點可能以某種方式分享相同的狀態,但具體過程還是一個謎。諸如此類的模擬實驗或許有助於揭開這個謎團。漢密爾頓說:“我們的模擬實驗接近奇點(Singularity),似乎整個三維宇宙被壓縮成二維表面。”不過,這是否預示二維圖更重要就不得而知了。漢密爾頓說:“這是否具有任何重要意義?我也不知道。”
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