黑洞是什么样子的?黑洞里面是什么?

黑洞是什么样子的?黑洞里面是什么?

 

对于科学家来说,黑洞一直是一个未解之谜;对于普通大众来说,黑洞更是带有许多神秘的色彩。有人会有担心和疑问,如果人掉入黑洞,究竟是会被立即撕成碎片,还是会安然无恙毫发无损?没人知道答案。不过,有科学家认为,也许掉入黑洞并不一定意味着死亡,你的命运或许会变得比你想像中的更加神奇、怪异,因为在一个场景里你已化为灰烬,而在另一个场景里,你还好好地活着。这个神奇的理论,听起来是不是有点不可思议?那就来听听科学家的解释吧。

黑洞是一类诡异之地,在这里我们所熟知的物理定律不再有效。爱因斯坦指出,黑洞的引力会弯曲时空,造成时空本身发生扭曲。因此如果有一个密度足够高的物体, 时空将发生严重扭曲,以至于在这个物体周围的现实时空之中形成一个类似凹陷的区域,这就是黑洞。当一颗大质量恒星耗尽其燃料之后发生爆炸塌缩,这一过程将 足以产生这样奇异的超级致密天体。当超大质量恒星的死亡核心在自身质量作用下不断收缩,它周围的时空随之扭曲。它的引力开始变得如此之强,以至于光线也无法逃离它的掌控:在这颗恒星原先所在的位置上,一个新的黑洞出现了。

黑洞最外层的是它的事件边界,也就是光线恰好开始无法逃离的引力范围边界。在这一区域之外,光线还可以逃离,而一旦越过这一边界,任何逃离的努力都将是徒劳 的。事件边界蕴含着巨大的能量。此处的量子效应会产生强大的高温粒子流并向外辐射,这就是所谓的“霍金辐射”。这是以英国著名天体物理学家霍金教授的名字 命名的,因为是他最先预言了这种辐射效应的存在。只要给予足够的时间,这种霍金辐射将最终耗尽黑洞的所有质量并导致黑洞的最终消亡。

随着你逐渐深入黑洞,时空变得更加扭曲,直到抵达黑洞的核心——在这里,时空的扭曲达到无限程度,这就是“奇点”。在这里空间和时间不再有意义,我们所熟知的,基于时间与空间概念的物理学定律也将全部失效。

 

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大质量天体会导致时空的扭曲

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在黑洞中,时空的扭曲程度到达极点

 

 

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黑洞导致光线传播路径的极大扭曲,形成类似“透镜”的效果

 

 

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半人马射电源A(Centaurus A)可能是一个位于我们银河系中央的大型黑洞

 

 

那么在这里究竟将发生什么?另一个宇宙?混沌?或是通往小时候书架的后面?没有人知道答案。

落入黑洞时会发生什么——你死了,但同时你活着

那么如果有一天你真的不幸落入其中一个黑洞之中,将会发生什么?首先我们假想你拥有一个名叫“安妮”(Anne)的同伴。你正朝着黑洞落去,而她仍然处于安全的距离外惊恐万分地观察着眼前的景象。从此刻开始,她将目睹一系列奇异现象。

随着你朝着黑洞的事件边界不断加速下落。安妮将会看到你的身体逐渐被拉长并扭曲,就像透过一个放大镜观察你的感觉。并且随着你越来越接近事件边界,安妮会发现你的移动速度似乎变得越来越慢,就像在看慢动作镜头。

你没有办法向她呼喊,因为空间里没有空气,但你想到用自己的iphone手机,利用闪光的方式向安妮发送一段摩尔斯电码(真的有一个这样的app)。然而你发出的信号向外传递的速度同样非常缓慢,光线的波长已经在强大的引力场中被严重拉伸,频率变得很低:“我很好。。。我   很   好。。。  我。。。。。。。很。。。。。。。好。。。”

当你最终抵达事件边界,安妮会发现你静止了,仿佛某人按下了暂停按钮。她会看到你还在那里,一动不动,拉伸的身体开始被烈焰吞噬。

在安妮看来,你已经因为空间的拉伸,时间的静止和霍金辐射产生的高热,在甚至还未跨越事件边界的时候已经化为灰烬了。

然而,在我们为你准备葬礼之前,先让我们忘掉安妮的报告,转而从你自己的视角来看一看这段时间里你究竟经历了什么?好吧,现在更加诡异的事情出现了:你觉得什么事都没有发生。

在你的下落过程中,你将感受不到拉伸,减速或是可怕的辐射。这是因为你正处于自由落体状态下,因此你感受不到重力的存在——爱因斯坦将这称之为自己“最令人愉悦的想法”。

毕竟,事件边界并不是一堵砖墙,而只是一种空间上的无形边界。一名位于外部的观测者无法目睹这一边界内部的事件,但这对于你而言不是问题——对你而言,这里并不存在什么边界。

当然,如果你正落入的是一个较小型的黑洞,那么你的确会有大问题。你将感受到强大的引力作用:你的腿部感受到的引力要比头部强大的多,你将会像一根意大利面条那样被拉长。但幸运的是你现在落入的是一个大型黑洞,其质量是太阳的数百万倍,在这种情况下,那种会将人撕碎的引力差将变得非常小,几乎可以忽略。

理论上说,在一个足够大的黑洞中你可以“正常”地度过余生,直到最终落到黑洞中央的奇点上迎来死亡。

“正常”——有多正常?你可能会有这样的疑问,因为此时的你正坠入时空连续体中的裂隙,完全不以自己的意志为转移,没有办法回头——一定没有人能够体会你的感受。

但奇怪的是,实际上从某种角度来看,我们是能够体会你的感受的——不是从空间上,而是从时间上——时间之河永恒地向前流淌,不以我们的意志为转移,我们只能随着时间向前走,没有办法回头。

这并不仅仅是一个比方。黑洞将空间和时间扭曲到了一个极端的程度,以至于在黑洞内部,时间和空间已经互换了角色。从某种意义上说,是时间将你推向最后的奇点。你无法回头逃离黑洞,一如我们无法回头,回到过去。

 

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量子物理学指出,黑洞的边界可能存在一堵“火墙”

 

 

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黑洞的事件边界并不是一堵现实存在的墙

 

 

“黑洞信息悖论”

到了这一步,你大概会想:等一下,那个安妮到底是怎么回事?明明我什么都没发生,周围什么都没有,只有空旷的空间,为什么她一口咬定亲眼看到我在事件边界外就已经被烧成灰了?难道她产生幻觉了吗?

事实是,安妮并没有产生幻觉。从她的视角看,你的确是在事件边界附近就被烧成灰烬了。这不是幻觉。如果可以的话,她甚至还可以收集你的骨灰并带回地球给你的家人安葬。

实际上,自然界的定律要求从安妮的视角观察,你必须永远都无法进入到黑洞的内部。这是因为量子物理学原理要求信息不可丢失——任何描述你的存在的信息必须留在黑洞外部,否则安妮所在空间的物理学定律将会崩溃。

而在另一方面,物理学定律也要求你必须能够穿越事件边界,而不会遭遇到超热粒子流或其他任何异常的东西。否则你将违背爱因斯坦的那个“最令人愉悦的想法”和广义相对论原理。

因此,简单来说,物理学定律要求你同时存在两种状态——在黑洞外成为一堆灰烬,以及在黑洞内,完好地活着。然而还有第三项物理学定律,它指出信息是不允许被克隆的——你必须同时存在于两个地点,但同时你只能有一个。

不知怎的,物理学定律将我们带向了一个似乎违背常识的结论。物理学家们将这一矛盾性结论称为“黑洞信息悖论”(Black Hole Information Paradox)。幸运的是,在1990年代,他们终于找到了一种调和这对矛盾的方法。

物理学家莱纳德·苏斯坎德(Leonard Susskind) 意识到这一悖论实际上并不存在,因为并没有人能够看到另一个你。安妮只能看到已经化为灰烬的你,而你只能看到活着的你自己。你和安妮之间永远无法将这两个 “你”进行对比,并且也不存在第三名观察者能够同时看到黑洞内部和外部的情况。因此在这样的情况下,物理定律将不会被突破。

除非你非要深究,这两个你究竟哪一个才是真的你。你想知道:我究竟是活着还是死了?

黑洞的研究所揭示的一项重要事实便是:根本就没有现实。所谓现实仅仅取决于你所询问的对象是谁。在这个故事中有对于安妮而言的现实,也有对于你而言的现实。大概就是这样。

 

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