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作為物質存在的極致:當反物質與黑洞相遇之后會怎樣

根據霍金的黑洞面積定理,經典黑洞的視界面積不會隨時間而減小。即使是完全由反物質構成的反物質黑洞與普通的正物質黑洞相撞,最終結果也是它們合并成為一個新的黑洞。

暗物質是一種尚未被證實存在的物質,我們只能通過它對引力的作用來推測其存在。由于不參與電磁相互作用,暗物質無法直接被觀測到。相比之下,反物質早在上世紀30年代就被理論預言和實驗發現了。我們知道,反物質是一種具有與正常物質相反狀態的物質。

例如,正常的電子帶負電荷,而反電子(也稱為正電子)則帶正電荷。如果質子帶正電荷,那么反質子則帶負電荷。當反電子和反質子結合在一起時,就形成了反氫原子,這是人類首次發現的反物質。

事實上,我們已經具備制備反物質的能力,盡管目前只能制造反氫原子這種微小的粒子級別的反物質。眾所周知,反物質的最大特點是一旦與正物質接觸,立即發生湮滅反應,將其質量完全轉化為能量,實現百分之百的質能轉換率。

可以說,這是絕對意義上的終極能源。相比之下,核聚變的能量轉化率只有不到1%,湮滅反應的百分之百轉化率是何等強大!我們可以簡單地看一下愛因斯坦的質能方程式,其中光速的平方這一巨大的數字顯得尤為重要。

即使質量非常小,乘以光速的平方后,所得的能量也會異常龐大。這樣的能量威力是何等巨大!以廣島原子彈作為計量單位,一克反物質和一克正物質湮滅時釋放的能量足以炸毀廣島三次。將反物質用作炸彈是再合適不過的了。

問題在于目前制造人工反物質通常需要粒子加速器,成本非常高。例如,1995年,研究人員通過加速器制造了反質子,并使其與氙原子核發生反應,產生了一對正電子和負電子。其中,如果正電子恰好被其他反質子捕獲,就有可能獲得一個反氫原子。

可以看出,整個過程中最終合成反氫原子的概率非常低,而且需要消耗巨大的能量。除了制造成本高昂外,存儲反物質也是一個巨大的難題。自然界中的物質幾乎都是正物質,制造出一點反物質很容易被湮滅。

反物質炸彈目前仍然只存在于科幻作品中。即使不考慮技術可行性,假設我們通過更先進的技術或不計成本制造出反物質炸彈,如果將其投入黑洞中,會發生什么呢?

需要明確一個問題,反物質炸彈到底是完全由反物質構成,還是由反物質和正物質共同構成的炸彈。如果它只包含反物質,那么整個炸彈就相當于一塊反物質。當它與正物質接觸時,將自發地發生湮滅反應,釋放能量。

 

如果我們只是將這樣一塊反物質投入黑洞,它可能在到達黑洞之前與一些星際物質發生反應,這顯然不是我們想要的結果。因此,假設我們的炸彈由反物質和正物質共同構成,那么爆炸時機將更可控。

但事實真的是這樣嗎?讓仔細思考一下黑洞的視界面究竟是什么。根據愛因斯坦場方程,黑洞的視界面只是一個時空的邊界,由于時空的彎曲和光速的限制,視界面內的任何事件都無法影響到外界,它也被稱為事件視界。

根據場方程,黑洞的全部質量應該集中在內部的奇點或奇環上。從奇點到視界面之間的區域,在理論上是空的。因此,雖然“接觸視界面”確實可以被認為是接觸到黑洞,但它可能并沒有真正接觸到黑洞內部的物質。

關于黑洞內部物質分布的情況,只能根據現有理論進行推測。根據廣義相對論,物質落入黑洞有兩種觀點,一種是物質本身的觀點,另一種是外部觀察者的觀點。

對于外部觀察者來說,落入黑洞的物質將永遠定格在落入黑洞的那一瞬間,或者更準確地說是在無限紅移面處靜止。一個是直奔奇點,一個是永遠靜止在視界面上。這是兩個相互矛盾的結果,究竟哪個才是真相?

這就是之前提到的冰凍星悖論,暫時來說,可以認為根據相對論的不同參考系,這兩種結果都是真實的。

對于外部觀察者來說,由于物質將永遠停留在落入黑洞的那一瞬間,黑洞內部的物質分布可能類似于不均勻的洋蔥,保留著物質進入黑洞的軌跡。在這種情況下,從我們的觀點來看,反物質炸彈可能永遠無法引爆,因為它將停留在視界面上。

假設它真的進入了黑洞,并成功引爆。但對于我們來說,根本無法得知,這一切都發生在視界面之內,無法進入我們的光錐。

無論是反物質炸彈直接爆炸,還是反物質與黑洞內部物質發生湮滅反應,在我們觀察者的眼中,黑洞只是將其吞噬,與吞噬正常物質沒有太大區別。從另一個角度來看,對于黑洞來說,一旦物質進入,它將失去正常物質的結構。

根據黑洞無毛定理,黑洞只有三個物理量:質量、角動量和電荷。除此之外,所有其他信息都喪失了。所以,無論是正物質、反物質還是尚不了解的暗物質,它們對于黑洞來說都沒有區別,都被一視同仁。

在面對黑洞這個宇宙中最極端的天體時,即使是科幻中的反物質武器也束手無策。

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