黑洞是廣義相對論所預言存在的一類特殊天體,實驗上也已經發現它存在的跡象。那麼,黑洞的內部究竟是一幅怎樣的圖景呢 黑洞的定義本身自然排除了利用光速通訊來探測其內部的可能性。由於黑洞內部的時空極度彎曲,任何物理訊號(包括光訊號)都無法從黑洞中逃逸出來,粒子在黑洞內部只能向黑洞的中心運動,別無選擇。
然而,如果黑洞真的存在,那麼它的內部就應當是可探測的,而不應是永遠無法觸及的禁地。下面我們將說明,利用量子超距通訊(即量子超光速通訊)可以探測黑洞的內部。
我們知道,量子超距通訊是一種非連續,非定域的通訊方式,資訊的傳遞不經過空間。
即使黑洞不允許連續傳播速度最大的光訊號從內部穿越視界而出,它卻無法阻擋非連續的超距訊號。超距通訊只與收發兩地的區域性時空情況有關,而與其間的時空結構無關。即使其間存在無窮大勢壘,超距通訊也可以進行,更不用說黑洞的有限視界。理解這個結論的另一種簡單方法是,將超距訊號看作是具有無窮大速度的訊號。
根據廣義相對論,儘管速度小於等於光速的訊號無法從黑洞內部出來,但是具有無窮大速度的訊號卻可以。原則上,利用超距通訊可以探測黑洞內部的所有區域。考慮到量子坍縮過程的影響,實現超距通訊的糾纏粒子對的初始能量越小,就越容易探測到黑洞的中心區域。
由於黑洞內外的時空度規(相對於本地的自由落體參照系)都是有限的,黑洞內外區域之間的時間流逝是可比較的。
例如,在黑洞視界內外附近的兩個自由下落的參照系幾乎是相同的。因此,同時處於黑洞內外的粒子糾纏態的坍縮過程在各自的局域參照系內都將在有限的時間內完成。於是,超距通訊的資訊傳送(對應於黑洞內部的粒子態的量子坍縮)和資訊接收過程(對應於黑洞外部的粒子態的量子坍縮)都可以在有限的時間內完成。
此外,我們必須注意,在黑洞內外超距傳遞的資訊與粒子間相互糾纏的量子性質(如自旋)有關,而這種性質一般會受時空彎曲的影響。例如,粒子自旋的方向將受時空彎曲的影響,而兩個自旋關聯的粒子經過不同的彎曲時空後(如分別在黑洞內外)其關聯的自旋方向將發生改變。
然而,由於時空彎曲對自旋方向(和其它性質)的改變總是確定的,我們總可以透過實驗重新測定自旋關聯的方向。因此,時空彎曲只是影響,而並不會破壞超距通訊所依據的量子關聯。
基於超距通訊,黑洞內外的時間流逝將成為實際可比較的。
一個直接結果是,利用這種超距通訊外部觀察者可以看見物體進入黑洞的整個過程。我們知道,如果利用通常的光訊號通訊,外部觀察者將會發現物體(如探測器)永遠也穿越不了視界,更進不了黑洞內部。然而,這種現象是由連續的光訊號通訊所造成的假象,它本質上是由於利用連續傳播的訊號來比較異地時空所導致的。
當利用非連續的超距訊號進行通訊時,外部觀察者將可以看到探測器進入黑洞內部,並可以超距獲得探測器檢測到的資訊,從而對黑洞內部進行探測。
黑洞內部可探測的一個有趣結果是,彭羅斯的宇宙監督假設將是不正確的。黑洞內部無法存在奇點,因為透過量子超距通訊奇點可以與外界發生作用,從而導致黑洞外部正常物理預測的不確定性。
最後,我們對黑洞資訊丟失問題做一點分析。我們知道,在視界附近由時空彎曲產生的正反粒子對導致了黑洞輻射,其中一個粒子進入黑洞,另一個粒子離開黑洞。在開始時,這兩個粒子處於相互糾纏的純態;當進入黑洞的粒子越來越接近黑洞中心時,兩個粒子態之間的能量差將越來越大,從而將很快發生不可逆轉的量子坍縮,即兩個粒子的糾纏態將變成相互獨立的乘積態。
粗略的計算顯示,當粒子到達黑洞半徑的一半時,能量差約為粒子的初始能量。例如,對於一個電子,這一能量差約為電子的靜能,相應的坍縮時間為8秒。因此,進入黑洞和離開黑洞的兩個糾纏粒子將最終由於量子坍縮而失去糾纏,即由純態演化為混合態。可以說,黑洞是將量子純態變為混合態的自然機器。
這一由量子坍縮引起的轉變明顯違反正常量子演化的么正性。它不僅導致資訊的損失,並且也導致(由正反粒子對形成的)黑洞輻射是完全隨機的熱輻射。看來,由於量子坍縮過程的不斷髮生,資訊在黑洞輻射的過程中不斷丟失,直到黑洞的質量達到最小的質量單元。因此我們發現,量子坍縮過程是導致黑洞資訊丟失的原因。
這為黑洞資訊丟失問題提供了一個解答。
如果黑洞理論家們不同意這個看法,那麼他們就得承認自己是形而上學研究者或神學家了。
由於粒子波包的量子擴散,這種改變也會具有一定的不確定性。但是,原則上這種不確定性仍是可控制的。
黑洞是廣義相對論所預言存在的一類特殊天體,實驗上也已經發現它存在的跡象。那麼,黑洞的內部究竟是一幅怎樣的圖景呢 黑洞的定義本身自然排除了利用光速通訊來探測其內部的可能性。由於黑洞內部的時空極度彎曲,任何物理訊號(包括光訊號)都無法從黑洞中逃逸出來,粒子在黑洞內部只能向黑洞的中心運動,別無選擇。
然而,如果黑洞真的存在,那麼它的內部就應當是可探測的,而不應是永遠無法觸及的禁地。下面我們將說明,利用量子超距通訊(即量子超光速通訊)可以探測黑洞的內部。
我們知道,量子超距通訊是一種非連續,非定域的通訊方式,資訊的傳遞不經過空間。
即使黑洞不允許連續傳播速度最大的光訊號從內部穿越視界而出,它卻無法阻擋非連續的超距訊號。超距通訊只與收發兩地的區域性時空情況有關,而與其間的時空結構無關。即使其間存在無窮大勢壘,超距通訊也可以進行,更不用說黑洞的有限視界。理解這個結論的另一種簡單方法是,將超距訊號看作是具有無窮大速度的訊號。
根據廣義相對論,儘管速度小於等於光速的訊號無法從黑洞內部出來,但是具有無窮大速度的訊號卻可以。原則上,利用超距通訊可以探測黑洞內部的所有區域。考慮到量子坍縮過程的影響,實現超距通訊的糾纏粒子對的初始能量越小,就越容易探測到黑洞的中心區域。
由於黑洞內外的時空度規(相對於本地的自由落體參照系)都是有限的,黑洞內外區域之間的時間流逝是可比較的。
例如,在黑洞視界內外附近的兩個自由下落的參照系幾乎是相同的。因此,同時處於黑洞內外的粒子糾纏態的坍縮過程在各自的局域參照系內都將在有限的時間內完成。於是,超距通訊的資訊傳送(對應於黑洞內部的粒子態的量子坍縮)和資訊接收過程(對應於黑洞外部的粒子態的量子坍縮)都可以在有限的時間內完成。
此外,我們必須注意,在黑洞內外超距傳遞的資訊與粒子間相互糾纏的量子性質(如自旋)有關,而這種性質一般會受時空彎曲的影響。例如,粒子自旋的方向將受時空彎曲的影響,而兩個自旋關聯的粒子經過不同的彎曲時空後(如分別在黑洞內外)其關聯的自旋方向將發生改變。
然而,由於時空彎曲對自旋方向(和其它性質)的改變總是確定的,我們總可以透過實驗重新測定自旋關聯的方向。因此,時空彎曲只是影響,而並不會破壞超距通訊所依據的量子關聯。
基於超距通訊,黑洞內外的時間流逝將成為實際可比較的。
一個直接結果是,利用這種超距通訊外部觀察者可以看見物體進入黑洞的整個過程。我們知道,如果利用通常的光訊號通訊,外部觀察者將會發現物體(如探測器)永遠也穿越不了視界,更進不了黑洞內部。然而,這種現象是由連續的光訊號通訊所造成的假象,它本質上是由於利用連續傳播的訊號來比較異地時空所導致的。
當利用非連續的超距訊號進行通訊時,外部觀察者將可以看到探測器進入黑洞內部,並可以超距獲得探測器檢測到的資訊,從而對黑洞內部進行探測。
黑洞內部可探測的一個有趣結果是,彭羅斯的宇宙監督假設將是不正確的。黑洞內部無法存在奇點,因為透過量子超距通訊奇點可以與外界發生作用,從而導致黑洞外部正常物理預測的不確定性。
最後,我們對黑洞資訊丟失問題做一點分析。我們知道,在視界附近由時空彎曲產生的正反粒子對導致了黑洞輻射,其中一個粒子進入黑洞,另一個粒子離開黑洞。在開始時,這兩個粒子處於相互糾纏的純態;當進入黑洞的粒子越來越接近黑洞中心時,兩個粒子態之間的能量差將越來越大,從而將很快發生不可逆轉的量子坍縮,即兩個粒子的糾纏態將變成相互獨立的乘積態。
粗略的計算顯示,當粒子到達黑洞半徑的一半時,能量差約為粒子的初始能量。例如,對於一個電子,這一能量差約為電子的靜能,相應的坍縮時間為8秒。因此,進入黑洞和離開黑洞的兩個糾纏粒子將最終由於量子坍縮而失去糾纏,即由純態演化為混合態。可以說,黑洞是將量子純態變為混合態的自然機器。
這一由量子坍縮引起的轉變明顯違反正常量子演化的么正性。它不僅導致資訊的損失,並且也導致(由正反粒子對形成的)黑洞輻射是完全隨機的熱輻射。看來,由於量子坍縮過程的不斷髮生,資訊在黑洞輻射的過程中不斷丟失,直到黑洞的質量達到最小的質量單元。因此我們發現,量子坍縮過程是導致黑洞資訊丟失的原因。
這為黑洞資訊丟失問題提供了一個解答。
如果黑洞理論家們不同意這個看法,那麼他們就得承認自己是形而上學研究者或神學家了。
由於粒子波包的量子擴散,這種改變也會具有一定的不確定性。但是,原則上這種不確定性仍是可控制的。