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更新日期:105年4月22日

物理系陳丕燊教授跨國團隊〈正面全裸的物理 赤裸的黑洞火牆〉
發表《Physical Review Letters》期刊

這聽起來可能像是一本很糟的言情小說,但物理學家卻用「赤裸」(naked)、 「無戲劇性」(no-drama)這一類的形容詞,企圖完整描述宇宙間最炙手可熱的話題, 那就是人類認知宇宙中最奇怪的物體-黑洞。

過去四年裡,物理學家在研究黑洞物理的數學結構時,提出一個怪異的想法:黑洞其實應該有一道「火牆」(firewall),任何東西如果企圖「翻牆」進入黑洞,就會被它徹底摧毀。然而,一篇發表在著名《物理論壇通訊》(Physical Review Letters)的新文章《赤裸的黑洞火牆》(Naked Black Hold Firewalls),對這個觀點提出質疑。該論文的共同作者,國立臺灣大學物理系陳丕燊教授解釋, 這篇文章的目的,是想以一個更奇怪的想法攻擊那些導致「火牆悖論」背後的黑洞物理基本信條。

此篇論文的共同作者包括北歐理論物理研究中心(Nordita)研究員王元君(Yen Chin Ong)博士、加拿大阿爾伯塔大學(University of Alberta)佩舉(Don Page)教授、京都大學佐佐木節(Misao Sasaki)教授,及臺大梁次震宇宙學中心研究員廉東翰(Dong-han Yeom)博士。

人類對於黑洞的概念來自愛因斯坦的相對論:一個使時空扭曲的巨大物體,當它裡面有足夠多的物質,就會使這個區域的時空變得非常陡峭,連光都無法逃離。既然連光都無法逃離,這些物體就是我們所稱的黑洞。

它們也是人類可理解的最大宇宙垃圾處理場。如果一個不幸的時空旅行者進入了黑洞的事件視界(event horizon),根據這個模型,他就會被完全摧毀在黑洞裡。

先不說這是明顯的簡化,一直以來黑洞總是迷人卻難以描述。1970年代霍京(Stephen Hawking)發現黑洞並非全黑,實際上某些粒子可以透過量子纏結而產生,從黑洞中逃離,這理論就是著名的霍京輻射。自此以後,黑洞物理的領域就成了各種奇異現象的泉源,需要量子理論與相對論相結合的數學才能完整解釋。在黑洞物理過去紛擾的40年中,有一個突出而未決的問題-「黑洞資訊遺失悖論」,這也是霍京首先提出的。這個問題持續阻礙物理學者直接以量子理論的數學切入解釋。加拿大阿爾伯塔大學佩舉教授解釋:「一開始,多數致力於愛因斯坦重力理論的學者認為霍京原本的建議是對的。就是說,資訊在黑洞形成和蒸發時就已經遺失了。」佩舉教授是第一個在1990年代提出重要論文反對霍京建議的人。他表示:「現在,包括霍京本人的多數重力物理學家都相信資訊並沒有遺失。然而,黑洞資訊如何保存的這個部分,依然是個謎。」

在量子力學中,基於量子「確定性」和「可逆性」這兩個原則,信息在任何物理過程中,始終被保留。然而,由於物質帶著訊息落入黑洞,在穿越事件視界的過程中,物質中的信息顯然被消滅了一段時間,這個表面上的矛盾一直困擾著物理學家。這個悖論本身的出現就是導因於霍京輻射。這表明物質可以從黑洞輻射出,但是分析顯示,在輻射的初期並沒有大量攜帶出原先掉進黑洞的信息。

在 2012年,一群物理學家研究這個悖論時發現,導致這一悖論的三個基本假設不可能都是一致的。也就是說,「統一性」與「局部量子場論」這兩個基本原則與「無戲劇性」的假設相互矛盾。

此一假設根據愛因斯坦的廣義相對論。它意味著,當一個物體通過事件視界應該沒有任何異狀發生。為了解決這個矛盾,他們提出最保守的解決方案:在黑洞的表面上確實有「火牆」的存在,它會焚化任何一個落進黑洞的物體。這個主張是相當令人吃驚,因為一個足夠大的黑洞,例如馬中佩教授最近發現的超大黑洞,它的曲率幾乎是微乎其微,所以廣義相對論可以完全適用而不需要加入量子場論。

因此我們期待任何物質在穿越視界時應該順利通關而不應該被強制焚化。陳丕燊教授指出:「所謂的火牆,指的是在我們所認知的黑洞的表面,有一個高能量密度區域,它會破壞任何墜入的東西。」

陳教授於2015年輪休,並赴京都大學「湯川理論物理研究所」(Yukawa Institute for Theoretical Physics)擔任訪問學者,期間主辦了一個小型研討會(Molecular-Type Workshop),邀請多位國際專家研究「黑洞資訊遺失悖論」。《赤裸的黑洞火牆》論文即是這次研討會的結晶。

作者們論證,基於量子力學,霍京輻射時必然不可免的會衍生隨機的量子微擾。而黑洞本身對於這些量子微擾的反作用,必將使火牆脫離黑洞的事件視界而裸露在外,能夠被遙遠的觀察者看到。

共同作者京都大學佐佐木節教授說:「如果火牆的確存在,它不僅能將一個下落的物體摧毀,甚至可從外面看見物體被破壞。」

此篇論文強調,像這樣存在於事件視界之外的「赤裸的火牆(naked firewall)」的概念是有問題的。如果火牆確實存在,作者們質疑它不會輕易地被黑洞局限於一個區域內,而是赤裸在外。它的破壞力可能超越事件視界,遷移至可以被觀察到的空間。這使得火牆的概念相對大膽,並非倡議火牆的那幾位物理學家所說的那麼保守。《赤裸的黑洞火牆》作者們建議,物理學界需要再投入相當的努力去找尋「黑洞資訊遺失悖論」的最終答案。

https://uofa.ualberta.ca/science/science-news/2016/april/full-frontal-physics

  • 五個作者

    五個作者由左至右為:廉東翰、王元君、陳丕燊、佩舉(Don Page)、Yasusada Nambu(非作者)、以及佐佐木節(Misao Sasaki)。 照片攝於由陳丕燊主持之京都大學YITP「黑洞訊息遺失悖論」研討會。

  • 人類對於黑洞的概念來自愛因斯坦的相對論

    人類對於黑洞的概念來自愛因斯坦的相對論:一個使時空扭曲的巨大物體,當它裡面有足夠多的物質,就會使這個區域的時空變得非常陡峭,連光都無法逃離。

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