Question

黑洞内部会发生什么？

Answer 1

黑洞内会发生什么？ 这个问题长期困扰着天文学家。他们提出了许多理论，也存在许多问题。黑洞的引力是如此之强，以至于没有任何东西可以逃脱，即使是光线也如此。这导致了“信息悖论”的问题，即，在黑洞当中，信息可能永远消失，这并不符合我们的物理定律。

但在几年前，科学家提出了一个非常规的新理论：黑洞不是我们所想的那样，而是包含一个被称为“普朗克星”的物体，崩溃的恒星会随着时间慢速反弹 ，从视野中浮现。

2014年，法国马赛大学的天文学家卡洛·罗维利与荷兰奈梅亨大学的弗朗西斯卡·维多托在论文中提出了普朗克恒星的想法，两位天文学家认为，这就是黑洞的核心。

在黑洞内部，普朗克星是相对微小的物体，它负责将所有掉入黑洞中的物质信息存储起来。随着黑洞的蒸发和其引力边界（即事件视界）的缩小，它将最终与这颗普朗克星相遇，并在剧烈事件中爆炸，然后使信息逃逸到太空中，从而解决了信息悖论。

普朗克星的形成与黑洞的形成几乎相同。当一颗巨型恒星在其寿命尽头耗尽燃料时，就会形成黑洞。 由于没有向外的压力来抵消引力作用在这颗恒星上，它将坍缩成一个奇点并产生一个黑洞。然而，罗维利和维多托认为，这可能还不是故事的结束。他们认为，黑洞是大质量恒星的爆炸过程，就像超新星爆炸的一样，这种爆炸伴随着其事件视界在很长的范围内逐渐缩小。

维多托说：“从某种意义上说，黑洞的形成就是在创造视界的过程。但在黑洞内部，崩溃仍在继续发生，并且在某个时刻，黑洞将拥有新的量子起源力来平衡收缩。因此，与其让收缩永远持续并产生奇点，不如让这些新的力量触发一个可能成为扩张的新阶段。在某个点对应于最大收缩的物体就是我们所说的普朗克星。”

普朗克星理论认为，在黑洞中不存在奇点，而有一个普朗克星，塌陷的物体可能不会被压碎到奇点，而是当体积达到特定的质能密度时会达到亚稳平衡点。想象一下，如果将14个太阳的质量压缩到一个原子核大小的空间中，将需要什么力进一步压缩它？两位科学家认为，由于引力的极端向内力被来自量子真空能量密度的强大排斥力所平衡，因此实现了这种平衡。量子引力现象在比普朗克数大得多的尺寸上变得有意义，这是因为，尽管引力塌陷物质的体积比普朗克直径大得多，但一立方厘米空间的普朗克密度的能量却非常大。由于量子引力是能量密度的直接结果，因此量子引力排斥力将以相对较大的大小发生，以平衡引力坍塌的内向挤压力。预计该量子压力将以大约亚原子尺度的大小发生，经过计算，一个逐渐坍塌的黑洞在某个临界点会停止并反弹回去。

最终，这个事件视界到达了黑洞的中心，在那儿，原始恒星的残骸被压成一个很小的点，其大小小于一米的万亿分之一的万亿分之一，即普朗克长度，这是物理上最小的可能长度。 一旦事件视界达到这一点，坠入的事件视界就会再次反弹，恒星将其物质释放到太空中。 这个事件本来应该很快，但是它的强烈引力导致了所谓的时间膨胀，从我们的角度来看，一切进展都比实际要慢。 因此，当我们观察一个普朗克恒星时，我们看到的是一个巨大的恒星基本上以慢动作塌陷和反弹的过程。从我们的角度来看，整个过程需要数十亿年的时间，具体取决于黑洞的大小。

2014年上映的科幻电影《星际》中有这样一个情节，主角们参观了绕黑洞运转的行星，由于巨大的引力，那里的时间流逝更加缓慢。基本上，这是由于引力红移引起的时间膨胀，这是广义相对论预测的一种现象。如果您正在坍缩的恒星上，会发现普朗克星的反弹非常快。 但是从外面看，引力时间膨胀很大。

普朗克星是完全不寻常且不稳定的物体，被浓缩成一个原子大小。普朗克恒星理论基于这样的思想：黑洞在其核心处具有事件视界并且具有接近无限质量和密度的点（奇点）。信息悖论假定，我们不可能了解任何奇点的情况，因为其强大的力量，任何东西都无法逃脱这个奇点。但是，如果黑洞实际上是在崩溃和反弹过程中的普朗克恒星，则可以解决这个矛盾。

普朗克星的出现相当于为宇宙终结提出的一种“大紧缩”理论。 现在已知我们的宇宙正在加速扩张，但是科学家曾经认为扩张可能会开始放缓，最终导致宇宙崩溃。普朗克星导致被称为“大弹跳”的大爆炸发生，而宇宙中的所有物质都将被压缩为奇点，一旦宇宙达到所谓的普朗克长度，它将在新的大爆炸中再次反弹，重新启动宇宙。

当前物理学中面临的一个突出的问题是，我们的拥有两个主要理论，量子力学和引力学，两者无法调和。前者以很小的规模来解释事物，而后者则以很大的规模来解释事物，但是很难使它们相互配合。 一种解决方案是“回圈量子引力论”，即时空实际上由许多较小的部分或环组成。这一理论表明，宇宙是无限的，并且一直存在，利用与普朗克星相同的方式在众多的大反弹中反弹。

反弹理论起源于在量子引力框架内解决问题的想法。我们拥有的宇宙不是从一个单一的角度出发的，而是一个先前的宇宙正在崩溃。然后达到普朗克密度，然后弹回我们的宇宙。

维多托认为，回圈量子引力理论也可能有助于计算普朗克星的寿命。她说：“存在一个开放性问题，即，这些物体的寿命是多长？普朗克星的寿命有多长？ 为了回答这一问题，我们需要一个量子引力理论来进行计算。”

虽然现在宇宙大爆炸理论已被宇宙的热死理论（宇宙将继续以加速的速度膨胀，直到原子自身破裂为止）所取代，但它确实很适合普朗克星理论。

黑洞的普朗克星理论想法与“白洞”相似。白洞本质上与黑洞相反，它是所有东西都逃脱而不是被困住的地方。这种扩张阶段就像爆炸一样，意味着如果黑洞已经发展到其生命的这个阶段，那么就有可能看到这样的扩张，反弹，和逃脱事件。 维多托说：“这是可以观察到的，这为调查黑洞开辟了新的可能性。我们预计黑洞大爆炸不会是黑洞的终结，我们希望它会有一个新的残留阶段，就像黑洞的灰尘。”

英国已故的理论物理学家斯蒂芬·霍金提出了黑洞可能以某种方式蒸发的想法，他说黑洞可能能够以霍金辐射的形式泄漏信息，为信息悖论提供了潜在的解决方案。霍金的理论主张，黑洞将逐渐蒸发，泄漏出越来越多的霍金辐射，直到其完全消失。 但是，普朗克星理论对此进行了更进一步的研究，表明逸出的不仅是霍金辐射，还包括普朗克星反弹阶段结束后的所有东西。

普朗克星理论的问题在于，这一过程预计将花费数十亿年，因此很难进行测试。从理论上讲，它非常好。但在实际情况下很难证明它。唯一的机会是其中一些物体已经蒸发很长时间了，它们是在宇宙开始时形成的小块，现在它们处于蒸发的最后阶段，它们可能导致您在天空中看到的一些爆炸。此类事件将以伽马射线暴的形式出现， 其中一些被认为是两个物体合并在一起时产生的，例如中子星和黑洞。当超巨星变成超新星时，它们也可能产生伽马射线暴。 但是，如果黑洞中确实包含有普朗克星，则某些伽马射线爆发可能是早期宇宙爆炸产生的原始黑洞的结果。

支持普朗克星理论的科学家认为，反弹将持续数十亿年，所以现在您可以看到普朗克恒星爆炸其实形成于早期宇宙中，就像超新星一样，我们现在可以从这些爆炸中看到相关信号。

普朗克星的概念仍然存在争议。首先，很难证明它们的存在。寻找早期宇宙线索以发现原始黑洞是困难的任务。尽管理论上解释得通，但要找到它们却困难得多。宇宙大反弹的理论似乎也与我们对宇宙的许多观察背道而驰，我们目前的观测证明，宇宙在飞速膨胀。

维多托希望普朗克星确实存在，科学家们正在继续努力研究这种理论，并进行观测黑洞以寻找它们。她说，研究人员正在开发新的回圈量子引力论工具，这些工具可用于预测普朗克星的某些性质。

她说：“普朗克星理论汇集了一些旧的想法，但是以一种全新的方式开辟了新的研究方向，这是我相当确信的东西。”