黑洞奇点

黑洞是广义相对论预言的产物,但有意思的是:这个广义相对论自己预言的东西,却会产生一个自己都无法解释的东西——奇点

广义相对论虽然石破天惊的把引力解释为时空曲率,认为时空是弯曲的,但是它眼里的时空本质上还是平滑的。但是,时空真的都是平滑的么?

当然,在宏观尺度上这是没问题的,在微观尺度上就不行了。在量子尺度上,我们看到的时空不再是平滑的,而是存在着剧烈的真空涨落,整个时空就像一块泡沫一样。这种涨落的时空跟广义相对论的平滑时空出现了根本性的不一致,所以广义相对论在这个尺度上会失效也是正常的

然后,我们再来回顾一下广义相对论描绘的恒星死亡产生黑洞的过程:当一个大质量恒星燃烧完自己的燃料之后,在引力的作用下它必然要坍缩。如果满足一定的条件,这个恒星可以坍缩成一个黑洞,然后不可避免的产生一个“密度无限大、体积无限小”的奇点。

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按照广义相对论,恒星坍缩最后会产生一个体积无限小的奇点。但是,还没有到无限小的时候,在那个真空涨落非常明显的量子尺度,时空已经不是平滑的了,那么又如何能够继续按照相对论的方式继续往下演化呢?所以,我们强行用相对论描述黑洞的全过程,最终导致了这个让物理定律都失效(曲率、密度、体积都是无限,物理定律怎么处理无限的东西?)奇点,这样想起来也似乎是理所当然的。

然后我就回去翻了一下这篇文章,翻来翻去还是没搞明白为什么大家这么喜欢这篇。不论是从思想的深度、逻辑的缜密还是从内容的启发性来看,明明都还有很多比它写得更好的文章,难道仅仅是因为这是一篇讲黑洞的文章?

原标题:如何才能解开黑洞奇点之谜?

爱因斯坦的科学精神

19世纪,牛顿力学和麦克斯韦电磁学发生了根本的冲突,凡是试图通过凑实验现象来构造新理论的做法最后都失败了,爱因斯坦早期也这样做过,结果是“什么都没得到”,碰了满头包。在这样的情况下,爱因斯坦痛定思痛,决定彻底放弃这一条道路,于是他去重新思考时间空间这些最基本的物理概念,从哲学的高度猜测上帝这个老头子的行为,从牛顿力学和麦克斯韦电磁学的根本矛盾慢慢出发,这才最终发现了狭义相对论,也最终解决了这两个体系之间的矛盾

在爱因斯坦眼里,实验不是新理论的出发点,而仅仅是用来验证理论一个证据

再看看现在,量子力学和广义相对论之间的矛盾跟牛顿力学和麦克斯韦电磁学之间的矛盾何其相似,它们都在各自的领域完全有效,但是他们的世界观却完全不同,这种不同必然会在一个点被彻底引爆,比如光速和奇点。

所以,我们这种时候要更加沉下心来学习爱因斯坦,要重新回到时间、空间等最基本的物理概念上去,重新去思考量子力学和相对论最基本的问题和矛盾的焦点,重新从哲学角度思考上帝的行为。只有这样,我们才有可能在现在发现更加深刻的量子引力理论,从而揭开黑洞奇点和大爆炸的秘密,进而加速文明的进程。否则,我们就只能慢慢等科技水平慢慢上去,最后通过实验来倒逼理论,而这将是一个非常缓慢的过程。

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我写《相对论前传》、《相对论正传》,除了科普一下相对论的知识,更重要的是想研讨一下爱因斯坦是如何协调牛顿力学和麦克斯韦电磁学的矛盾,是如何通过重新思考时间空间这些最基本的概念从而建立狭义相对论的,而这些东西对我们现在统一广义相对论和量子力学应该很有帮助。

黑洞奇点是广义相对论和量子力学的一个交汇点,既然大家对这个神奇的东西又这么感兴趣,接下来我可以跟大家聊一聊黑洞的事情~

我是【长尾科技】,一个致力于用最通俗的语言科普相对论、量子力学、计算机、数学等高深理论的科技媒体。关注微信公众号【长尾科技】,回复“相对论”、“量子力学”获取最新的原创文章,有问题可以回复“【提问】+你的问题”,期待你的到来~返回搜狐,查看更多

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量子引力

与此同时,按照上面的分析,我们似乎也能很清晰的感觉到:当恒星探索的到量子尺度的时候,当平滑度时空开始变成剧烈的涨落时空的时候,相对论就应该不再适用了。取而代之的应该是一种量子化的引力理论,而这种新的量子引力应该会阻止黑洞坍缩到无限小这种没有物理意义的状态。如果真的找到了这种量子引力理论,我们就应该能揭开黑洞的秘密,揭开奇点的秘密,甚至揭开宇大爆炸的秘密。

物理学家们在这一点上倒是达成了一致,但是没人知道这种正确的量子引力理论会是什么样子的。100年前,人类刚刚叩开了原子世界的大门,一大波新的观察发现推动了量子力学的大发展,从某种意义上来说,说那时候的量子力学是实验推动的也未尝不可:一大波年轻的天才物理学家为了解释原子世界内部种种无法理解的现象,充分发挥自己的想象力,大胆的提出了各种量子化的想法,逐步构建了完整的量子力学

但是这一套放在现在显然已经不适用了,我们现在遇到的问题不是某个现象用现有理论无法解释(目前能够观测到的各种现象,还没有任何现象用相对论和量子力学无法解释的)。就在一个月前,一个国际天文学家团队7月26日宣布,他们利用大型地面望远镜对银河系中心进行观测,第一次证实超大黑洞附近的引力场效应与广义相对论百余年前的预测“完美符合”。一百年来,广义相对论抗住了各种严苛条件下的实验测试,这次在超大黑洞的极强引力场下还依然保持正确,看起来,试图从无法解释的现象入手来修正理论的道路,短期内是走不通了。跟许多民科试图通过否认一两个实验来否认相对论不一样,科学家们对待一个理论的态度的极其严谨的,他们会选择各种极端严苛是实验来验证你的理论,所以,相对论一直到现在还在接受各种实验的检验。

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有人说你刚刚不是才提到奇点无法解释么?奇点是无法解释,但是这不是我们观测到的现象,任何信息都无法从视界里逃出来,那么被包裹在视界内部的奇点就更加无法观测到了,我们只能通过物理定律来分析研究它。也就是说我们现在所了解的关于奇点的一切信息,都是通过物理定律推算出来的。

所以,想要找到正确的量子引力理论,靠实验来纠错是靠不住了。而在微观层面,量子力学和广义相对论的矛盾冲突又是如此的明显,那么,问题到底出在哪里?

这种情况是不是有点似曾相识?

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最近一段时间实在是太忙了,都没空写文章。现在再回过头去看自己之前的那些文章,发现最火的文章居然是《使用低速航天的办法能离开黑洞么?》这篇,而且比其他文章的热度高了不止一个数量级(下面的截图为我的知乎专栏《长尾说相对论》里的文章截图,光赞都收获了775个)。

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