宇宙引力的秘密:引力子是如何逃出黑洞的?

1991年一次日食活动中我向David Schramm提出了下面的问题。他认真地回答了我的问题,但是我实在不明白他所说的原理。



如果说光子携带电磁力,引力子携带万有引力,而光子和引力子都无法逃逸黑洞,那么,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远丢失了,又如何得知物质是怎样强烈地被吸入黑洞的?如果不能感知到来自黑洞的引力,为什么不从安全的地方到达一个围绕着黑洞的轨道上呢?如果不知道附近存在巨大天体,为什么会出现时空弯曲呢?



这些问题已经困扰我19年了。十几岁的时候,我曾假设有一个类似“费米年龄/长度”(不是值)的东西,所以,我知道自己非常聪明,但不善表达,这让我困惑不已。



这是一个富有洞察力的问题。我对Dr. Schramm的回答很感兴趣。无论如何,回答这些问题都是有点微妙的。在此我用万有引力理论来处理,但是这些理论同样需要运用电磁学。按照广义相对论的术语,万有引力仅仅代表着围绕着黑洞的时空曲率。黑洞只是时空中很弯曲的部分,它不需要向宇宙中的其它部分传递信息,因为它已经呆在那里等待着路过的实验粒子。这个区域(按照传统力学)被认为是一个“化石场”,它由不断陨落的恒星构成。对外部的观测者来说,由于时间膨胀,这些恒星从来没有真正跨越穹界。



按照量子力学,情况有点不同。注意,到目前为止还没有关于万有引力的量子学理论,但是我们对它的一些固有特性还是有所了解的。在量子世界,力是由像光子和引力子一样的虚拟玻色子调节的。关键点是这些粒子都是虚拟的,不是真实的。当然,严格意义上说,它们是真实的,并且作为总体是能够探测和测量到的。然而,正如测不准原理所说,因为它们的寿命非常短暂,无法一个一个地探测。



你可能听说过空间就是一个基本粒子的“泡沫海洋”,粒子和反粒子不断地出现和消失。这是另一个有关虚拟粒子的表述。本质上,虚拟粒子在它们短暂的生命里被允许做任何违背因果关系的事情。它们的存在必然违背能量守恒定律,并且它们消失之前也允许它们违背很多其它物理定律。



其中之一就是被限制在光速以下运动。因此,当虚拟引力子和光子到达穹界之上后,它们以超过光速的速度离开奇点,自此它们进入虚拟工作的世界。各种各样的物理工序使得没有真实信息会以超光速的速度传递。也就是说,如果黑洞突然消失,它的万有引力在奇点以外CT半径范围内还是可以感觉到的。

注:CT是光速和时间的乘积,代表一个半径为CT的球体,这个球体就是光传播时的影响范围。

相关知识

黑洞是根据广义相对论所推论、在宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体和星体。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽后,发生引力坍缩而形成。黑洞的质量是如此之大,它产生的引力场是如此之强,以致于大量可测物质和辐射都无法逃逸,就连传播速度极快的光子也逃逸不出来。由于类似热力学上完全不反射光线的黑体,故名黑洞。



引力子,又称重力子,一种量子物理学中,基于量子场论的架构,提出的假设基本粒子,这种量子的交换,可产生引力。但目前仍未知是否真正存在。引力子被设想为一个自旋为2、质量为零、不带电荷的玻色子。为了传递引力,引力子必须永远相吸、作用范围无限远及以无限多的型态出现。

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