黑洞是什么樣子的?黑洞里面是什么?

黑洞是什么樣子的?黑洞里面是什么?

 

對于科學家來說,黑洞一直是一個未解之謎;對于普通大眾來說,黑洞更是帶有許多神秘的色彩。有人會有擔心和疑問,如果人掉入黑洞,究竟是會被立即撕成碎片,還是會安然無恙毫發無損?沒人知道答案。不過,有科學家認為,也許掉入黑洞并不一定意味著死亡,你的命運或許會變得比你想像中的更加神奇、怪異,因為在一個場景里你已化為灰燼,而在另一個場景里,你還好好地活著。這個神奇的理論,聽起來是不是有點不可思議?那就來聽聽科學家的解釋吧。

黑洞是一類詭異之地,在這里我們所熟知的物理定律不再有效。愛因斯坦指出,黑洞的引力會彎曲時空,造成時空本身發生扭曲。因此如果有一個密度足夠高的物體, 時空將發生嚴重扭曲,以至于在這個物體周圍的現實時空之中形成一個類似凹陷的區域,這就是黑洞。當一顆大質量恒星耗盡其燃料之后發生爆炸塌縮,這一過程將 足以產生這樣奇異的超級致密天體。當超大質量恒星的死亡核心在自身質量作用下不斷收縮,它周圍的時空隨之扭曲。它的引力開始變得如此之強,以至于光線也無法逃離它的掌控:在這顆恒星原先所在的位置上,一個新的黑洞出現了。

黑洞最外層的是它的事件邊界,也就是光線恰好開始無法逃離的引力范圍邊界。在這一區域之外,光線還可以逃離,而一旦越過這一邊界,任何逃離的努力都將是徒勞 的。事件邊界蘊含著巨大的能量。此處的量子效應會產生強大的高溫粒子流并向外輻射,這就是所謂的“霍金輻射”。這是以英國著名天體物理學家霍金教授的名字 命名的,因為是他最先預言了這種輻射效應的存在。只要給予足夠的時間,這種霍金輻射將最終耗盡黑洞的所有質量并導致黑洞的最終消亡。

隨著你逐漸深入黑洞,時空變得更加扭曲,直到抵達黑洞的核心——在這里,時空的扭曲達到無限程度,這就是“奇點”。在這里空間和時間不再有意義,我們所熟知的,基于時間與空間概念的物理學定律也將全部失效。

 

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大質量天體會導致時空的扭曲

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在黑洞中,時空的扭曲程度到達極點

 

 

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黑洞導致光線傳播路徑的極大扭曲,形成類似“透鏡”的效果

 

 

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半人馬射電源A(Centaurus A)可能是一個位于我們銀河系中央的大型黑洞

 

 

那么在這里究竟將發生什么?另一個宇宙?混沌?或是通往小時候書架的后面?沒有人知道答案。

落入黑洞時會發生什么——你死了,但同時你活著

那么如果有一天你真的不幸落入其中一個黑洞之中,將會發生什么?首先我們假想你擁有一個名叫“安妮”(Anne)的同伴。你正朝著黑洞落去,而她仍然處于安全的距離外驚恐萬分地觀察著眼前的景象。從此刻開始,她將目睹一系列奇異現象。

隨著你朝著黑洞的事件邊界不斷加速下落。安妮將會看到你的身體逐漸被拉長并扭曲,就像透過一個放大鏡觀察你的感覺。并且隨著你越來越接近事件邊界,安妮會發現你的移動速度似乎變得越來越慢,就像在看慢動作鏡頭。

你沒有辦法向她呼喊,因為空間里沒有空氣,但你想到用自己的iphone手機,利用閃光的方式向安妮發送一段摩爾斯電碼(真的有一個這樣的app)。然而你發出的信號向外傳遞的速度同樣非常緩慢,光線的波長已經在強大的引力場中被嚴重拉伸,頻率變得很低:“我很好。。。我   很   好。。。  我。。。。。。。很。。。。。。。好。。。”

當你最終抵達事件邊界,安妮會發現你靜止了,仿佛某人按下了暫停按鈕。她會看到你還在那里,一動不動,拉伸的身體開始被烈焰吞噬。

在安妮看來,你已經因為空間的拉伸,時間的靜止和霍金輻射產生的高熱,在甚至還未跨越事件邊界的時候已經化為灰燼了。

然而,在我們為你準備葬禮之前,先讓我們忘掉安妮的報告,轉而從你自己的視角來看一看這段時間里你究竟經歷了什么?好吧,現在更加詭異的事情出現了:你覺得什么事都沒有發生。

在你的下落過程中,你將感受不到拉伸,減速或是可怕的輻射。這是因為你正處于自由落體狀態下,因此你感受不到重力的存在——愛因斯坦將這稱之為自己“最令人愉悅的想法”。

畢竟,事件邊界并不是一堵磚墻,而只是一種空間上的無形邊界。一名位于外部的觀測者無法目睹這一邊界內部的事件,但這對于你而言不是問題——對你而言,這里并不存在什么邊界。

當然,如果你正落入的是一個較小型的黑洞,那么你的確會有大問題。你將感受到強大的引力作用:你的腿部感受到的引力要比頭部強大的多,你將會像一根意大利面條那樣被拉長。但幸運的是你現在落入的是一個大型黑洞,其質量是太陽的數百萬倍,在這種情況下,那種會將人撕碎的引力差將變得非常小,幾乎可以忽略。

理論上說,在一個足夠大的黑洞中你可以“正常”地度過余生,直到最終落到黑洞中央的奇點上迎來死亡。

“正常”——有多正常?你可能會有這樣的疑問,因為此時的你正墜入時空連續體中的裂隙,完全不以自己的意志為轉移,沒有辦法回頭——一定沒有人能夠體會你的感受。

但奇怪的是,實際上從某種角度來看,我們是能夠體會你的感受的——不是從空間上,而是從時間上——時間之河永恒地向前流淌,不以我們的意志為轉移,我們只能隨著時間向前走,沒有辦法回頭。

這并不僅僅是一個比方。黑洞將空間和時間扭曲到了一個極端的程度,以至于在黑洞內部,時間和空間已經互換了角色。從某種意義上說,是時間將你推向最后的奇點。你無法回頭逃離黑洞,一如我們無法回頭,回到過去。

 

黑洞是什么樣子的?黑洞里面是什么?
量子物理學指出,黑洞的邊界可能存在一堵“火墻”

 

 

黑洞是什么樣子的?黑洞里面是什么?
黑洞的事件邊界并不是一堵現實存在的墻

 

 

“黑洞信息悖論”

到了這一步,你大概會想:等一下,那個安妮到底是怎么回事?明明我什么都沒發生,周圍什么都沒有,只有空曠的空間,為什么她一口咬定親眼看到我在事件邊界外就已經被燒成灰了?難道她產生幻覺了嗎?

事實是,安妮并沒有產生幻覺。從她的視角看,你的確是在事件邊界附近就被燒成灰燼了。這不是幻覺。如果可以的話,她甚至還可以收集你的骨灰并帶回地球給你的家人安葬。

實際上,自然界的定律要求從安妮的視角觀察,你必須永遠都無法進入到黑洞的內部。這是因為量子物理學原理要求信息不可丟失——任何描述你的存在的信息必須留在黑洞外部,否則安妮所在空間的物理學定律將會崩潰。

而在另一方面,物理學定律也要求你必須能夠穿越事件邊界,而不會遭遇到超熱粒子流或其他任何異常的東西。否則你將違背愛因斯坦的那個“最令人愉悅的想法”和廣義相對論原理。

因此,簡單來說,物理學定律要求你同時存在兩種狀態——在黑洞外成為一堆灰燼,以及在黑洞內,完好地活著。然而還有第三項物理學定律,它指出信息是不允許被克隆的——你必須同時存在于兩個地點,但同時你只能有一個。

不知怎的,物理學定律將我們帶向了一個似乎違背常識的結論。物理學家們將這一矛盾性結論稱為“黑洞信息悖論”(Black Hole Information Paradox)。幸運的是,在1990年代,他們終于找到了一種調和這對矛盾的方法。

物理學家萊納德·蘇斯坎德(Leonard Susskind) 意識到這一悖論實際上并不存在,因為并沒有人能夠看到另一個你。安妮只能看到已經化為灰燼的你,而你只能看到活著的你自己。你和安妮之間永遠無法將這兩個 “你”進行對比,并且也不存在第三名觀察者能夠同時看到黑洞內部和外部的情況。因此在這樣的情況下,物理定律將不會被突破。

除非你非要深究,這兩個你究竟哪一個才是真的你。你想知道:我究竟是活著還是死了?

黑洞的研究所揭示的一項重要事實便是:根本就沒有現實。所謂現實僅僅取決于你所詢問的對象是誰。在這個故事中有對于安妮而言的現實,也有對于你而言的現實。大概就是這樣。

 

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