當前位置: 華文世界 > 科學

不小心掉進黑洞會發生什麽?能看到宇宙的盡頭嗎?

2024-03-19科學

黑洞就像宇宙中開的無底洞,它的存在引發了許多有趣的討論。例如,一個黑洞能否吞噬另一個黑洞?如果可以,那麽這個黑洞會變大還是直接消失?如果我們不慎掉入黑洞,會發生什麽?如果躲在黑洞的事件視界,我們能否窺見宇宙的盡頭?今天,我們就來探討這些問題。

黑洞是宇宙中最神秘和最奇特的天體之一。它們起源於普通的恒星,但在超新星爆炸後經歷了一系列變化。這種爆炸與我們通常理解的爆炸不同,它不會像煙花那樣升空後消失不見。舉個例子,地球的重力對我們的生活和運動產生了很大的影響,它使我們能夠在地球上站立和行走。一個物體的品質越大,它受到重力的影響就越大,就越不容易離開地面。相反,像螞蟻這樣品質很小的生物,就很容易被風吹走。

另一方面地球的品質保持不變,大部份品質集中在地幔,剩下的在地核。想象一下,如果我們剝去地球表面的一層,就像剝洋蔥一樣,但地球的表面積變小了,我們感受到的重力也會變強。想象一塊磁鐵,如果把它放在泄氣的氣球裏,就比較容易吸住外面的磁鐵。如果氣球充滿氣,那麽中心的磁鐵對外面的磁鐵的吸重力就會減弱。所以,即使物體在地面上的品質很輕,但如果表面積減小到一定程度,它受到的重力作用也就越大,就容易被壓縮,就像被吸進中心一樣。因此,一旦發生超新星爆炸,即一顆恒星的核心燃料耗盡時,如果這顆恒星的核心品質不變,但表面積迅速減小,就會發生重力塌縮,產生一顆只有重力的恒星核心,這就是黑洞的誕生。

而關於重力,在愛因史坦的廣義相對論中,重力被認為會使時空彎曲和變形。黑洞是一種品質非常大的恒星,因此可以想象它的重力有多強大。與重力相關的一個概念是逃逸速度,這解釋了火箭為什麽能飛離地球——因為火箭的力量和速度超過了地球的重力。而當我們把球拋向空中,它沒有飛出地球,而是落回到我們手中,是因為力量和速度不夠。在黑洞面前,即使是速度最快的光也無法逃脫,這就是為什麽黑洞是黑色的。它們就像一個看不見的無底洞,不斷吞噬著周圍的能量和物質。

實際上,人類從18世紀起就開始研究黑洞。法國數學家和天文學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯在研究光的性質和牛頓的重力理論後認為,光也受到重力的影響。如果一個天體的品質和密度足夠大,那麽即使是光速也無法擺脫它的重力。現在最廣為人知的黑洞理論包括愛因史坦在1905年提出的質能方程式,以及1915年提出的廣義相對論。到了1916年,德國天文學家和物理學家卡爾·施瓦西爾德利用愛因史坦的廣義相對論方程式,獨立推匯出了描述黑洞的解——施瓦西爾德黑洞解。當太陽半徑為零時,在核心的中心點,時間曲線趨於無窮大,這意味著時空本身是不可定義和不可觀測的。在那種狀態下,物理學就不再適用,時間和空間都無法用物理來定義。在這個重力奇異點中,過去、現在、未來都是亂序的。

2019年,人類首次成功觀測到了黑洞,並拍攝到了第一張黑洞的照片。照片上有一個明亮的環形物體,中心部份是黑洞的影像。環形物體是由於黑洞周圍的物質被吸入產生的。科學家的研究顯示,我們的宇宙中存在著無數的黑洞。如果我們離它們太近,或者掉進黑洞裏,會發生什麽呢?在黑洞內部有一個稱為事件視界的邊界,這與地球上的地平線有些類似,但我們無法知道事件視界之外會發生什麽。

目前的科學家已經透過數學模型和模擬研究,大致了解了物質接近和穿過事件視界時可能發生的情況。前面提到重力可以扭曲時空,但當物質落入黑洞時,它們會被黑洞吸引並加熱,並且物體本身會發出放射線,包括可見光和其他光譜中的放射線。這些放射線會被望遠鏡和其他儀器探測到,這就是為什麽黑洞周圍會有環繞著橙色光的現象,就像土星環一樣。

如果我們到達黑洞的事件視界,會發生什麽呢?假設我的腳先進入了事件視界,腳這一邊會受到更強的重力,而頭那邊則受到相對較弱的重力。一個身體受到了不同的重力拉扯,就會被拉成細長的條狀物。黑洞可以把人體拉到極限,最後將人撕成碎片。如果這時有人從地球上觀察我進入了視界,他們會看到,我在進入事件視界的那一刻會停下來。在這裏,我的身體還沒有被拉長,沒有碎成碎片。這是因為重力越強,時間流逝的速度就會變慢。從地球上看,我進入事件視界的時候幾乎是靜止的,但在黑洞這裏,我會一直往下掉。假設我可以一直漂浮在事件視界的周圍,我就感覺不到時間在流逝,但是邊界外面的宇宙看起來就像在不斷快進一樣。因此,躲在事件視界上可能可以觀察到這個宇宙的盡頭。

在熱力學中,熵的增加是指事物逐漸膨脹和解體的過程。熵的增加是隨著時間的推移,比如從現在到未來,一個正向的過程。如果時間可以倒流,那麽熵就會減少。如果黑洞內部不存在時間,就不會有過去、現在、未來,那就意味著那裏沒有熵。但反過來說,假設一個物質落入黑洞,物質的熵就會減少,導致黑洞的熵會增加。

在1972年,以色列物理學家雅各布·貝肯史坦提出了一個理論,他認為黑洞中存在熵,並且和黑洞的事件視界表面積成正比。同時,根據黑洞品質,他預測黑洞也是有溫度的。在1974年,英國著名的物理學家史蒂芬·霍金提出了一種理論——霍金放射線。指的是黑洞在宇宙中吸收和放射線能量的過程。黑洞不是完全的吞食物體,而是會在吞噬物體時發出一些能量,這是由於在黑洞附近產生的虛粒子對,其中一個粒子被黑洞吞食,而另一個粒子則逃入了黑洞。這就導致黑洞會失去一定的品質和能量,這個理論證明了黑洞並非永遠存在。它們會隨著時間的推移慢慢蒸發,最終消失。

白洞說,也只是一個理論,認為黑洞是另外一個空間,或者是宇宙通往白洞的入口,被黑洞吞噬的東西會從白洞裏出來。物理學家在1970年就開始研究白洞,如果說黑洞的事件視界是連光都無法逃脫的邊界。那麽白洞的事件視界就是任何東西都可以進入的邊界,你可以把它想象成一個相反的黑洞。

那麽這邊就有一個疑問,如果白洞真的存在,那白洞放出的東西又是從哪裏來的呢?而且白洞是如何產生的?有一種說法是,如果發生了Gamma射線爆,其中恒星釋放出大量的能量,就有可能產生白洞。2007年,科學家曾經實際觀測到一次Gamma射線爆,當時是由於兩顆中子星碰撞引發的。如果在這個過程中產生了一個白洞,它就會在一瞬間釋放出所有的能量。

還有理論認為,黑洞消失後就產生了白洞。在2020年8月26號,在超過60億光年的仙女座方向,馬里蘭大學美國國家航空暨太空總署戈達德太空飛行中心的國際研究小組發現了一次0.65秒的Gamma射線爆,編號是GRB200826A。這次0.65秒的Gamma射線爆,預計釋放的能量是整個銀河系釋放的所有能量的1400萬倍。GRB200826A是超新星爆發時出現的?還是說它是一個正在消失的黑洞產生的結果目前還不得而知。一般來講,發生在兩秒以內的Gamma射線爆就叫做短Gamma射線爆,超過兩秒就是長Gamma射線爆。Gamma射線爆發釋放出這麽強大的能量,所以就有人認為宇宙大霹靂其實就是一次Gamma射線的爆發,假設有一個大得離譜的黑洞。黑洞有一天到達了它生命的終點,並且變成了超新星,引發長時間的Gamma射線爆發,大量的能量迅速向外丟擲,然後就創造了一個新的宇宙,這聽起來還挺有趣的。

還有一個有趣的理論就是蟲洞理論。尼克魯德·維普拉夫斯基是一位波蘭裔的美國天體物理學家。他提出了一種有關於宇宙起源的理論即黑洞白洞宇宙大霹靂理論,這個理論認為宇宙的起源是由於一個超級巨型黑洞的爆炸而形成的。在這個黑洞中,時間和空間被彎曲到了極限,形成了一個白洞,從而產生了一個新的宇宙。這個宇宙在黑洞爆炸的過程中迅速膨脹,形成了我們所看到的宇宙。這個理論和傳統的大霹靂理論是不同的,大霹靂理論認為宇宙起源於一個無限小、無限熱和無限密的點。而維普拉夫斯基的理論則認為,宇宙起源於一個黑洞,我們生活的宇宙存在於一個巨大的黑洞之中。而我們所在的宇宙的黑洞中可能存在著另外一個宇宙,這就意味著我們的宇宙中可能出現了一個白洞。如果那個白洞沒有消失的跡象,那麽黑洞內部有一個宇宙的理論相對來說就很可靠了。