互动科普

如果你看过克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）导演的电影《星际穿越》（Interstellar），那么你应该会像我一样，被大荧幕上所呈现的黑洞所震憾。美国加州理工学院的理论物理学家基普·索恩（Kip Stephen Thorne，当今世界引力和天体物理学领域的权威学者，也是2017年诺贝尔物理学奖得主）担任了影片的科学顾问及执行制片人，我们因此得以看到爱因斯坦广义相对论所描绘的黑洞外部最真实的样子。

在爱因斯坦的广义相对论中，时间和空间是动态的：物质与能量可以引发时空的弯曲，而时空的弯曲反过来又会决定其中物质的运动方式。我们知道，在牛顿力学中，如果确定了物体的初始状态及受力情况，便可以准确预测物体在此后任意时刻的运动状态。这也意味着，在牛顿力学中，决定论是成立的，也就是说，一旦给定系统的初始状态，通过物理学定律便可以预言系统未来任意时刻所处的状态。大多数科学家认为，在广义相对论中，决定论也是完全成立的：如果我们知道时空的初始状态，那么根据广义相对论的核心——爱因斯坦方程，就可以预言此后时间和空间的演化情况。

然而，葡萄牙里斯本大学的维特·卡多佐（Vitor Cardoso）及同事的最新研究表明，在带电黑洞的内部，可能存在决定论失效的区域：此时，即使知道黑洞的初始状态，我们也将无法通过爱因斯坦方程来预测该区域内未来的状态。该研究已于今年1月发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

英国物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）曾提出假设：在真实的宇宙中存在某些机制，可以使柯西视界（Cauchy horizon，广义相对论中决定论失效的区域的边界）变得不稳定或者消失，从而使决定论在广义相对论中得以保持。理论表明，正如彭罗斯假设的那样，足够强的扰动可以破坏柯西视界的稳定。实际上，对黑洞施加任何微小的扰动，黑洞内部巨大的引力都可以将扰动的强度放大；然而，另一方面，黑洞的外部环境又可以使扰动衰减。因此，黑洞的柯西视界是否稳定、决定论是否会失效，将取决于黑洞内部引力对扰动的增强及黑洞外部环境对扰动的减弱的综合效果。理论表明，在不带电且不旋转的黑洞中，柯西视界是不稳定的，因而决定论在这类黑洞中得以保持。

卡多佐等人研究了由带电恒星通过引力坍缩形成的带电黑洞。他们发现，当黑洞带有足够的电荷时，电荷与宇宙学常数（爱因斯坦方程中可以用来解释宇宙加速膨胀的常数）提供的斥力，在某种程度上会抵消黑洞本身的引力，从而减弱引力对扰动的增强效应。此时，黑洞外部环境对扰动的减弱效应将占据主导作用，因此，扰动将很快衰减为零，从而无法彻底破坏柯西视界。此时，足够稳定的物体可以进入柯西视界内部而不被黑洞的引力撕碎，但其命运却无法通过爱因斯坦方程来预测。这将意味着，在广义相对论中，决定论从根本上失效。这比量子力学对决定论的破坏更为严重：在量子力学中，我们虽然无法准确预言粒子在每个时刻的位置，但至少可以知道其在各个位置出现的概率；然而，在广义相对论的框架下，决定论失效的区域内部，即使是概率也将无法计算。

虽然科学家认为带电黑洞在自然界应该是不存在的，但是，带电黑洞与旋转黑洞具有一定的对等关系。因此，不带电但旋转的黑洞内部，也很可能同样具有决定论失效的区域。科学家已经在宇宙中发现了快速旋转的黑洞，并且宇宙观测也表明宇宙学常数并不为零，因此，该研究具有重要的实际意义，在将来的引力波实验中也许可以得到检验。

美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校的加里·霍罗威茨（Gary Horowitz）表示：“据我所知，这是在引力和电磁理论中违背彭罗斯的假设的最好证据。”英国剑桥大学的理论物理学家哈维·瑞尔（Harvey Reall）则认为：“这项研究仍然基于经典的广义相对论，而柯西视界上也许可以产生较强的量子效应。这也许会使柯西视界变得不稳定，从而可以拯救决定论。当然，这还需要进一步的研究。”