黑洞的内部结构是什么？

温柔老虎

黑洞的内部结构是什么？

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黑洞是广义相对论所预言存在的一类特殊天体,实验上也已经发现它存在的迹象.那么,黑洞的内部究竟是一幅怎样的图景呢黑洞的定义本身自然排除了利用光速通信来探测其内部的可能性.由于黑洞内部的时空极度弯曲,任何物理信号(包括光信号)都无法从黑洞中逃逸出来,粒子在黑洞内部只能向黑洞的中心运动,别无选择.然而,如果黑洞真的存在,那么它的内部就应当是可探测的,而不应是永远无法触及的禁地.下面我们将说明,利用量子超距通信(即量子超光速通信)可以探测黑洞的内部.我们知道,量子超距通信是一种非连续,非定域的通信方式,信息的传递不经过空间.即使黑洞不允许连续传播速度最大的光信号从内部穿越视界而出,它却无法阻挡非连续的超距信号.超距通信只与收发两地的局部时空情况有关,而与其间的时空结构无关.即使其间存在无穷大势垒,超距通信也可以进行,更不用说黑洞的有限视界.理解这个结论的另一种简单方法是,将超距信号看作是具有无穷大速度的信号.根据广义相对论,尽管速度小于等于光速的信号无法从黑洞内部出来,但是具有无穷大速度的信号却可以.原则上,利用超距通信可以探测黑洞内部的所有区域.考虑到量子坍缩过程的影响,实现超距通信的纠缠粒子对的初始能量越小,就越容易探测到黑洞的中心区域.由于黑洞内外的时空度规(相对于本地的自由落体参照系)都是有限的,黑洞内外区域之间的时间流逝是可比较的.例如,在黑洞视界内外附近的两个自由下落的参照系几乎是相同的.因此,同时处于黑洞内外的粒子纠缠态的坍缩过程在各自的局域参照系内都将在有限的时间内完成.于是,超距通信的信息发送(对应于黑洞内部的粒子态的量子坍缩)和信息接收过程(对应于黑洞外部的粒子态的量子坍缩)都可以在有限的时间内完成.此外,我们必须注意,在黑洞内外超距传递的信息与粒子间相互纠缠的量子性质(如自旋)有关,而这种性质一般会受时空弯曲的影响.例如,粒子自旋的方向将受时空弯曲的影响,而两个自旋关联的粒子经过不同的弯曲时空后(如分别在黑洞内外)其关联的自旋方向将发生改变.然而,由于时空弯曲对自旋方向(和其它性质)的改变总是确定的,我们总可以通过实验重新测定自旋关联的方向.因此,时空弯曲只是影响,而并不会破坏超距通信所依据的量子关联.基于超距通信,黑洞内外的时间流逝将成为实际可比较的.一个直接结果是,利用这种超距通信外部观察者可以看见物体进入黑洞的整个过程.我们知道,如果利用通常的光信号通信,外部观察者将会发现物体(如探测器)永远也穿越不了视界,更进不了黑洞内部.然而,这种现象是由连续的光信号通信所造成的假象,它本质上是由于利用连续传播的信号来比较异地时空所导致的.当利用非连续的超距信号进行通信时,外部观察者将可以看到探测器进入黑洞内部,并可以超距获得探测器检测到的信息,从而对黑洞内部进行探测.黑洞内部可探测的一个有趣结果是,彭罗斯的宇宙监督假设将是不正确的.黑洞内部无法存在奇点,因为通过量子超距通信奇点可以与外界发生作用,从而导致黑洞外部正常物理预测的不确定性.最后,我们对黑洞信息丢失问题做一点分析.我们知道,在视界附近由时空弯曲产生的正反粒子对导致了黑洞辐射,其中一个粒子进入黑洞,另一个粒子离开黑洞.在开始时,这两个粒子处于相互纠缠的纯态;当进入黑洞的粒子越来越接近黑洞中心时,两个粒子态之间的能量差将越来越大,从而将很快发生不可逆转的量子坍缩,即两个粒子的纠缠态将变成相互独立的乘积态.粗略的计算显示,当粒子到达黑洞半径的一半时,能量差约为粒子的初始能量.例如,对于一个电子,这一能量差约为电子的静能,相应的坍缩时间为8秒.因此,进入黑洞和离开黑洞的两个纠缠粒子将最终由于量子坍缩而失去纠缠,即由纯态演化为混合态.可以说,黑洞是将量子纯态变为混合态的自然机器.这一由量子坍缩引起的转变明显违反正常量子演化的幺正性.它不仅导致信息的损失,并且也导致(由正反粒子对形成的)黑洞辐射是完全随机的热辐射.看来,由于量子坍缩过程的不断发生,信息在黑洞辐射的过程中不断丢失,直到黑洞的质量达到最小的质量单元.因此我们发现,量子坍缩过程是导致黑洞信息丢失的原因.这为黑洞信息丢失问题提供了一个解答.如果黑洞理论家们不同意这个看法,那么他们就得承认自己是形而上学研究者或神学家了.由于粒子波包的量子扩散,这种改变也会具有一定的不确定性.但是,原则上这种不确定性仍是可控制的.