1.定义澄清:无质量轻子与时空扰动
无质量轻子:主要指光子(电磁力的传播子)和引力子(假想的引力的传播子)。它们以光速运动,没有静止质量。
时空扰动:这是一个广义词,在不同尺度有不同含义:
引力波:时空结构中以光速传播的涟漪,由大质量天体加速运动产生。
奇点附近的量子涨落:在普朗克尺度下,时空本身可能不再是平滑的,而是处于剧烈的、泡沫状的量子涨落状态。这才是“核心”的真正扰动。
2.在黑洞外部和事件视界附近的影响
在黑洞外部,广义相对论完全适用。时空扰动(在此表现为黑洞的强大引力场和可能的引力波)会对光子产生巨大影响:
引力透镜效应:黑洞的引力会弯曲其周围的光线,像透镜一样扭曲背后天体的图像。
引力红移:从黑洞强引力场中逃逸出来的光子会损失能量,导致其波长变长(向红色端移动)。
光子球:在事件视界外约1.5倍史瓦西半径处,存在一个“光子球”,光子可以在此处形成不稳定的圆形轨道。这是时空被极度弯曲的证明。
引力波的影响:如果时空扰动是来自另一个黑洞并合产生的引力波,当它穿过一群光子时,会周期性地拉伸和压缩空间,极轻微地改变光子的波长和传播方向。
在这些区域,影响是巨大但可预测的,完全由爱因斯坦的广义相对论描述。
3.在黑洞核心(奇点)附近的终极难题
这是您问题中最核心也最困难的部分。根据经典广义相对论,黑洞的核心是一个奇点——一个体积无限小、密度无限大、时空曲率无限大的点。
经典物理的崩溃:
在奇点,所有物理定律,包括描述时空的广义相对论和描述光子的量子电动力学,都失效了。
“时空扰动”这个词在奇点失去了意义,因为时空本身的结构已经不复存在。我们无法谈论一个“无限大”的扰动会对光子产生什么“影响”。
因此,在纯粹的经典图像中,这个问题没有答案。奇点是一个数学上的缺陷,它昭示着我们需要一个更深刻的理论——量子引力理论。
量子引力理论的猜想:
物理学家们正在发展各种理论来避免奇点,并描述黑洞核心的物理。在这些理论中,“核心”不再是奇点,而是某种量子引力客体:
圈量子引力论中的“普朗克星”:
该理论预言,坍缩会在达到无限密度之前停止,形成一个由极高密度但有限的物质构成的量子核心,其密度接近普朗克密度($10^{96}$ kg/m³)。
在这个核心的外围,时空可能处于极端的量子引力泡沫状态,时空本身不再连续,而是离散的,存在剧烈的量子涨落。
对光子的可能影响:一个光子如果接近这个区域,它可能与时空的量子泡沫发生未知的相互作用。这可能导致:
光子散射或衰变:在常规时空中,光子是稳定的。但在如此极端的量子引力环境中,它可能会发生衰变或转化为其他粒子。
超光速传播:一些模型推测,在量子泡沫中,光速可能不再是常数,光子可能会表现出非常规的传播行为。
信息丢失或混杂:光子的量子信息可能会与时空的量子信息发生纠缠,甚至被“抹除”。
弦理论中的“毛球”:
该理论认为,黑洞没有奇点,其内部由一团被称为“毛球”的弦构成,它占据了整个事件视界内的空间。
对光子的可能影响:一个光子进入毛球后,其命运不再是坠向一个点,而是与整个毛球结构发生复杂的相互作用,其信息会被编码和储存在毛球之中。
最终结论:在黑洞外部,我们可以精确预测和观测时空扰动对光子的影响。但对于黑洞最核心的区域,我们目前的物理学只能给出猜想。那里的“时空扰动”本质上是时空本身的量子泡沫,它可能会颠覆光子作为稳定无质量粒子的基本性质,但要回答“具体会发生什么”,我们可能需要等待下一个爱因斯坦提出一个完整的量子引力理论。

