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徐子菲:黑洞里面是什么?

更新时间:2020-11-13 11:25点击:

  黑洞的照片出来了,真身显形了,也被大家玩坏了。

  然鹅,黑洞里面有啥呢?对大多数人来说,这个问题似乎比黑洞长啥样更有意思,当然,这里也包括我。

  想知道黑洞里面有什么吗?那就跟着我跳进去吧,喵喵喵~

  最简单理解黑洞的方法大家都懂,在一个软床垫上放一个苹果和一个铁球,床垫发生了凹陷,我们可以说床面发生了扭曲,附近的玻璃小球当然容易掉向苹果或铁球,好似受到了它们的吸引。

  以床面类比时空,以苹果铁球类比物质,那就是物质可以使时空扭曲,这就产生了引力效应。

  太阳让时空床垫“凹陷”,“产生”了引力,让地球绕自己旋转。

  越重的东西让床面扭曲越严重,铁球比苹果造成的凹陷更大,同理,太阳比地球对时空的扭曲更大。

  如果是更大质量的东西呢?它们会对我们这可爱的“时空床垫”怎么样?会把它砸穿吗?

  其实,这个问题科学家比我们关注的更早。早在1930年,爱因斯坦和他的同事罗森在求解引力方程的时候得到了一个解,这个解后来被称为“爱因斯坦-罗森桥”,通过这个桥可以联系到宇宙的另一边,如下图。

  爱因斯坦本人并不是很重视这个解,他认为这太过于异想天开了。但后来的物理学家对此很感兴趣,比如1957年美国物理学家惠勒在论文中第一次使用了“虫洞”这个词:

  这种分析迫使人们考虑各种情况。在有净力线(引力或电磁力)流动的地方,通过拓扑学家所说的多重连接空间的“把手”,那就是物理学家说的更生动的术语:“虫洞”。

  但惠勒在论文中指出,这种虫洞是极其不稳定的,只要有东西(比如光子)进入,它就马上被掐灭了。

  第一个提出“虫洞”的惠勒。

  再后来,随着量子场论的发展,以及拓扑学和宇宙学的结合,很多物理学家,比如霍金、基普索恩等都论证了虫洞是可以稳定存在的,并且是可穿越的。满足某些条件以后,甚至可以存在宏观上看得见的大型虫洞,比如索恩(就是那喜欢和霍金打赌的诺奖得主)就和学生莫里斯搞出一个“莫里斯-索恩虫洞”理论,从外观上看起来,这是一个球体,由一种奇异物质撑开,只要你钻进这个球,就可以实现星际穿越!

  法国图宾根大学里,一个模拟的“莫里斯-索恩虫洞”。

  相对于身残志坚的霍金,基普索恩绝对算得上是人生赢家,他跟霍金打赌三次,全部获胜,赢得了一大堆成人杂志不说,还在2017年获得了霍金梦寐以求的诺贝尔物理学奖。

  霍金(左)因《时间简史》而闻名世界,然而他在自己的著作中也提到过,基普索恩(右)堪称他的“苦手”,霍金三次打赌全部输给后者。

  基普索恩面向大众最成功的一件事,就是参与了著名科幻大片《星际穿越》的制作,这部经典影片中的虫洞,也是一种“莫里斯-索恩虫洞”。

  《星际穿越》里的“虫洞”。

  除了《星际穿越》,在各种科幻小说、电影中,“虫洞”都深得科幻迷的青睐。太空甚是辽阔,依靠远低于光速的航天器,要实现穿越星系的星际航行简直是痴人说梦,而“虫洞”则给我们提供了一种“捷径”,星际穿越,不再是梦!

  甚至连NASA也在幻想利用虫洞实现星际旅行。

  很可惜,《星际穿越》里的情节只是虚构,到目前为止,人类所有的探测器都没有发现过一个宏观的虫洞。但物理理论又告诉我们,虫洞在宇宙中到处都是,甚至可以说,我们身边也可能会有虫洞的身影,只不过这种虫洞都极其微小。就有一种猜想认为,可以发生“超距作用”的量子纠缠,就是通过虫洞来连接的。

  有物理学家猜想,虫洞的连接和量子纠缠的连接其实是一回事。

  话说爱因斯坦的引力方程可真是一个宝库,1964年,苏联物理学家诺维科夫在研究引力场方程的解,他发现在某种条件下,可以存在着一种“白洞”。也就是说粒子被黑洞吸进去,从“白洞”喷出来。

  宇宙中有“白洞”吗?

  白洞和黑洞的基本性质几乎完全一样,也有质量、电荷、角动量等,然而两者的个性却完全相反,一个只进不出,一个只出不进。

  对此,霍金是这样解释的,黑洞并不“黑”,可能叫它“灰洞”更好,因为它每时每刻都在发出一种“霍金辐射”,看起来好像是黑洞在“蒸发”。越大的黑洞“蒸发”越慢,越小的黑洞“蒸发”越快。如果一个黑洞小于月球质量(大约),它在宇宙中的辐射量就将大于它吸收的量,它的质量将不断损失。

  好了,霍金论证完毕,白洞原来根本不是什么新鲜玩意儿,白洞就是黑洞。如果你被小黑洞吸进去,很快就会被喷出来;当然如果你被大黑洞吸进去,迟早也会被喷射出来。问题是喷出来的你还是原来的你吗?

  霍金毕生都在研究黑洞。

  以上也只是理论的一家之言,科学的基础是实证,在没看到“白洞”的真面目之前,这些空洞的理论只能被束之高阁。

  有人设想过,类星体就是“白洞”的一种候选者,但没有足够的说服力。

  2006年6月14日,尼尔·格雷尔斯雨燕空间天文台在印第安星座方向、距离地球16亿光年处探测到了一次强烈的伽马射线暴(GRB 060614),共持续了102秒。按照之前的理论,这种“长暴”是来自超大质量恒星坍缩成黑洞,奇怪的是,这次事件却没有找到任何超新星出现的迹象。它挑战了之前关于伽马射线暴和黑洞的科学共识,2011年,有物理学家发表论文,提出GRB 060614就是传说中的“白洞”!

  伽马射线暴GRB 060614的发现。

  2012年,一篇题为《白洞重现——小爆炸》的论文出现,震惊了全球的科幻迷。文中,作者提到,创造我们宇宙的“大爆炸”就是一个“白洞”。类似的,如果我们的宇宙中也存在白洞,那也不会是持续不断的喷出,而是类似“大爆炸”那种,是一次性的“小爆炸”!这也许是白洞为何难以观测的一个原因。

  《白洞重现——小爆炸》(The revival of whit holes as small bangs.)在《新天文》(New astronomy)上发布的网页。

  2014年,另外三位科学家发表的论文更进一步,指出创造我们宇宙的“大爆炸”是一个超大白洞的爆炸,它就是一个五维时空坍缩的焰火。

  原来,我们宇宙就是一个黑洞?

  有人还真的计算了可观测宇宙的史瓦西半径,发现恰好是约137亿光年,这更是支撑了宇宙黑洞论。根据上面这篇论文,我们更可以猜测,是上一级五维时空的宇宙,通过黑洞坍缩的形式,大爆炸出了我们的四维时空。

  我们的宇宙大爆炸就是白洞吗?

  你想到什么了吗?

  《三体3——死神永生》中,大刘给我们描述了这样一个黑暗森林宇宙,宇宙级文明把自己的生存作为第一要务,甚至不惜以最大的恶意去揣测其他宇宙文明,这样的猜疑链战争不断升级,它们甚至牺牲自己的生存空间,将宇宙不断“降维”。原来,宇宙大爆炸本身就是一种降维吗?

  难道说,宇宙大爆炸就来自上一级宇宙的黑洞?上一级四维空间的宇宙里物质进入了黑洞,就启动了我们宇宙的白洞大爆炸?那我们宇宙里的黑洞就是下一级二维宇宙的白洞大爆炸?进入了黑洞,就到了一个二维的世界?原来,黑洞不过是一个“二向箔”制造机吗?

  再深入一些,黑洞的吸积速度就是驱使下一级宇宙膨胀的暗能量吗?我们上一级宇宙的那个黑洞有多大?我们会被“蒸发”吗?

  一种理论,黑洞奇点=大爆炸奇点。在这里,并没有描述维度的变化。

  话说黑洞在各种科幻小说、电影里多次出现,但真正提到进入黑洞和黑洞内部的还真的很少,影片《星际穿越》是其中了不起的一个。

  按照上面的说法,貌似黑洞里应该是低维宇宙,然而《星际穿越》中,男主进入黑洞,却发现这是一个高维宇宙。在这里,男主发现自己身处一个时间矩阵当中,他可以过去各个时间点发生的故事。

  有人说这里是3维空间+2维时间=5维时空,对此,我们不敢有异议,谁让帮《星际穿越》站台的是基普索恩呢?再不行,人家还能说,这是未来的人类改造后的黑洞……

  《星际穿越》里的黑洞内部

  回顾一下黑洞的理论基础,黑洞的中心是一个奇点(Singularity),在这里所有的物理理论都失效了。而在外围有一个事件视界(Event Horizon),在视界内部,光都逃不出去,因此称为“黑洞”。事件视界的半径叫做“史瓦西半径”,黑洞质量越大,史瓦西半径就越大,这个黑洞“黑”的区域也就越大!

  黑洞的中心是一个奇点(Singularity),视界(Event horizon)内部的光线都无法逃脱,视界到奇点的距离就是史瓦西半径,方程如图。

  总之,既然是“奇点”,就是说当前的科学理论还无法解释这里究竟发生了什么,那么,不管你如何幻想,都是有可能的。上面关于黑洞内部的一切的一切,都只是可能而已哦。

  还是那句话,科学必须讲究“实证”,人类毕竟不可能像《星际穿越》男主那样深入黑洞,看看那里面究竟有什么“幺蛾子”的。所以有科学家开玩笑说:“就实验精度而言,凝聚态物理>>高能物理>>宇宙学!” 宇宙学也因此成为各种奇思异想的“重灾区”,然而,这不是很有意思吗?

  理论上,当星系的光线穿越黑洞,会发生如图中奇异的棱镜现象,但人类的寿命太短,观测这种现象可能需要几十万年甚至更久。

  然鹅,如果真的有勇士愿意探险,那会怎么样呢?

  还是大刘的《三体3——死神永生》中,有个跳进自己创造的黑洞的科学家高way:

  ”程心看着废墟的黑暗深处那团幽幽蓝光,她现在知道那里可能有一个人,正在时间停滞的界面上永恒地坠落着。这样一个人,在这个世界的视角中他还活着,在他自己的世界他却已经死了……“

  最后一句话是什么意思呢?高way究竟是死是活呢?难道他成为量子态了吗?

  其实这里跟薛定谔的猫没有任何关系,这是一种引力引起的时间膨胀效应。

  霍金曾经在《果壳里的宇宙》中举过一个著名的例子:有一个勇敢的宇航员在一个正在坍缩变成黑洞的恒星上着陆,预计黑洞在12点坍缩,也就是说这个宇航员在12点进入黑洞的视界,然后永世不得超生。

  由于黑洞超强的引力,宇航员每秒钟发出的信号间隔在外部看来将越来越被拉长,到了12:00,他发出的信号将被无限延迟。也就是说,从外部观察,会看到宇航员越来越慢,到最后甚至不动了,即使到宇宙末日也看不到宇航员坠入视界的那一瞬间。

  霍金《果壳里的宇宙》中的例图,由于翻译错误,其中的注释有误,应为:航天员在11:59:57时发出他的第一个信号,航天员在11:59:58时发出他的第二个信号。

  而反过来,从宇航员的角度来看,他会看到外部的信号加速了,也就是说外面的时间越来越快。到了12点他坠入视界的时候,他将看到全宇宙未来所有发生的事件,直到宇宙灭亡。

  正是这个道理,从高way的角度看来,他早已经死去,被黑洞的强大引力扯碎,碎片进入视界,但是从程心的角度来看,高way还活着,因此连高way的死亡证明都开不出来。

  总之,想看到宇宙的结局有两种方法:

  1, 达到光速

  2, 进入黑洞

  达到光速,也可以看到宇宙终结哦!

  如果你继续问我,进入黑洞后究竟能看到什么?

  其实上面已经提到了几个答案:虫洞、白洞、低维宇宙、高维宇宙。其实还有一种可能性:平行宇宙。

  话说霍金除了基普索恩这位“损友”以外,还有一位好朋友,那就是牛津大学的罗杰*彭罗斯。

  罗杰*彭罗斯。

  与霍金相比,彭罗斯在数学方面的造诣更深,他将闵可夫斯基图进行了广义相对论推广,得到了一个“彭罗斯图”,如下图。

  “彭罗斯图”分为四个区域:我们所在的宇宙、黑洞、平行宇宙、白洞,图中黑洞和白洞里的波浪线就是奇点,四个区域的中心交点是虫洞。宇宙中的光线沿向右上45度,和视界(horizon)平行。而一般的物体达不到光速,就没有那么好运了,它们最终都将如蓝线一般坠入黑洞中的奇点。

  彭罗斯图

  但这张“彭罗斯图”却告诉我们,存在着一条道路,可以穿越中间的虫洞,进入平行宇宙。

  原来,平行宇宙并非和我们的宇宙绝对平行,有时候也是可以相交的。

  平行宇宙之间可以通过虫洞来连接吗?

  好了,黑洞里面是什么,我们已经敞开了幻想,列数了各种可能性。在这些奇妙的理论背后,是无数理论物理学家的辛劳和智慧。在这里,我们尤其缅怀去年去世的霍金。

  霍金曾经说过:“‘黑洞’是科学史中极为罕见的情景,在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下,作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。”

  然鹅,霍金究竟没有活到黑洞图像揭秘的这一天,让人扼腕长叹。如果霍金能活到现在,当他看到真实的黑洞影像时,僵硬的嘴角是不是会咧开一丝神秘的微笑?

  霍金也许会希望自己进入黑洞,看到宇宙的终结吧?

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