2017-12-21 由 宇宙小百科 發表于科學

愛因斯坦在1905年提出狹義相對論時，駁斥了一項19世紀的觀點：光波是由一種假想介質以太的振動而產生的。 他認為，光波可以在真空中行進，並不需要任何物質來支撐，不像在介質中傳播的聲波只是介質的振動而已。在近代物理的另外兩大支柱（廣義相對論和量子力學）中，這個狹義相對論的特性並沒有再被修改。到目前為止，小至次原子核，大至星系，所有的實驗數據都能用這三大理論圓滿地解釋。儘管如此，物理學家還得面對一個深刻的觀念問題。就現在的理解，廣義相對論和量子力學是不相容的。廣義相對論將引力歸因於時空連續體的曲率，而這與量子理論的框架格格不入。一般認為，在極短的距離內，量子效應會導致時空結構的高度彎曲， 但理論物理學家對此的理論闡釋，進展極其微小。在挫折之餘，有些人便轉向一條出人意表之路：凝聚態物理（研究晶體和流體等物質的學問），以尋求指引。 凝聚態物質在大尺度下就和時空一樣，看起來也是連續體，不同之處僅在於它們的微觀結構是由我們透徹了解的量子力學所支配的。此外，由於聲波在不均勻流體中的傳播行為和光波在彎曲時空中的傳播十分類似，因此我們和其他同行正在研究一種聲波的黑洞模型，試圖通過這項模擬獲得對時空微觀行為的了解。這類研究的成果顯示，時空也許正如流體物質一樣，具有顆粒性，而且在微觀的尺度下，會有某個特別優越的參考坐標──這和愛因斯坦的假設剛好相反。

黑洞是驗證量子引力論的最佳場所之一，因為不管是量子力學還是廣義相對論，在黑洞附近都極為重要。1974年，霍金將量子力學套用在黑洞的「事件視界」上，自此，這兩大理論的融合向前邁進了一大步。 根據廣義相對論，「事件視界」就是將黑洞內部（這裡的引力強到沒有任何東西可以逃離）與外部分隔開來的曲面，它不是一種物質的界限。不幸掉進黑洞中的旅人，在通過「事件視界」時，並不會有特別的感覺；可是一旦通過了視界，他們就再也無法將光波信號傳送給黑洞外的人了，更別說回到黑洞外頭去了。至於洞外的觀察者，只會收到旅人在通過視界前發送的信號。當光波爬出黑洞的引力位井時，它們會被拉長，使得頻率向下偏移，信號的持續時間也變長。在觀察者看來，旅人像是用慢動作移動，而且會比平常的顏色要紅。 這種被稱為引力紅移的效應並不是黑洞所特有。舉例來說，當信號在軌道衛星和地面基地之間傳遞時，其頻率和時間也會因引力紅移而改變。GPS導航系統必須把這個變量考慮進來，才能準確運作。不過黑洞特殊的地方在於，隨著旅人向「事件視界」趨近，紅移會變成無限大。從外部觀察者的角度來看，旅人墜入黑洞得花上無限久，儘管旅人自己覺得只過了一段有限的時間。

以上對黑洞的描述，只是基於將光當作古典的電磁波來討論。霍金所做的，是把光的量子性考慮進來，重新思考無限紅移所衍生的結果。根據量子理論中的「海森堡不確定性」原理，就算完美的真空也不是空無一物，而是充滿了量子漲落。量子漲落以虛光子對的形式出現。它們被稱為虛光子，是因為在遠離一切引力影響的非彎曲時空中，它們會不停地出現又消失，若是沒有外力擾動，就無法觀測得到。 可是在黑洞附近的彎曲時空中，虛光子對的其中一顆可能會陷進「事件視界」之內，而另一顆卻留在「事件視界」之外。這對光子就會由虛轉實，形成一股可觀察到的向外光通量，而此時黑洞的質量也會相應下降。黑洞輻射整體的形態是熱輻射，就和灼熱木炭發出來的類似，其溫度和黑洞的質量成反比。這種現象就是所謂的霍金效應。除非黑洞吞噬新物質或新能量來彌補損失，否則霍金輻射會把它所有的質量泄漏個精光。

有個重點在用流體模擬黑洞時非常重要，那就是非常靠近黑洞「事件視界」的空間會保持近乎完美的量子真空。事實上，這在霍金的論證中是最根本的條件。虛光子是最低能量子態（亦即基態）的一項特徵，只有在和同伴分離並爬出「事件視界」的過程中，虛光子才會變成實光子。 研究黑洞信息悖論的物理學家分為兩個陣營。一些支持霍金，認為「空」的空間並不空，它是在風暴中隨著粒子與其反粒子的不斷出現與消失，迅速重組對，信息真正消失時黑洞消失，如果違背了量子定律，則需要發現新的定律。而加州理工大學帕薩迪納分校的量子物理學家則不認同。