宇宙的強大力量可以摧殘萬物,不乏恐怖之法。在廣袤的太空,嘗試屏息可能導致肺部爆裂;而若釋放每一分子的空氣,肉體將在數秒內消失無蹤。在某些區域,身體會被外力抽出,凝結成固態;而在其他地方,你的分子結構會被解構成電漿態。然而,在眾多宇宙的手段中,沒有什麽比人被黑洞吸引更引人入勝了。
這一命題極具科學探討價值。讓我們深入探討。
在黑洞附近,彎曲的時空極為劇烈,臨近事件視界時,空間曲率達到頂峰,以至於光也無法逃離。最終,一切都將匯聚於一點:事件視界。黑洞的半徑由品質、光速及相對論規律所決定。理論上,黑洞中應存在一個奇異點,那裏的品質高度集中,形成一個球狀、靜止的天體。
根據愛因史坦的相對論,黑洞的性質由三個關鍵因素決定:
品質——由物質總量及等效能量(依據 E = mc平方)構成,是形成及塑造黑洞現狀的關鍵。
黑洞內所含正負電荷的總和,即黑洞的凈電荷。
角動量——黑洞固有的自轉運動總量的度量。
實際上,所有存在於宇宙的黑洞應具備巨大品質、顯著角動量及幾乎為零的凈電荷。這導致了其特性的復雜性。
當一顆巨星終結其生命或兩顆巨星殘骸結合時,便可能形成黑洞,其事件視界與品質成正比,周遭環繞著能吸收物質的吸積盤。當黑洞自轉,其外部與內部空間亦隨之轉動,此為框架拖曳效應,對黑洞而言,這力量不可小覷。
我們通常所想象的黑洞較為簡化:僅以品質作為其標誌。黑洞擁有環繞單一點的事件視界,以及自該點延伸的區域,光無法從中逃逸。這一區域呈完美球形,其邊界為光無法跨越的區域:事件視界。位於特定距離(即史瓦西半徑),黑洞的奇異點在所有方向上均衡地向外擴張。
這是對黑洞的簡化描繪,卻為我們提供了探索不同地點物理學的良好起點:事件視界之外與之內。
一旦跨越門檻,形成黑洞的事件視界內,所有事物都將匯聚成奇異點,最多只存一維空間。三維結構無法完整生存。
在事件視界之外,重力作用遵循我們常規的預期:品質造成的空間彎曲使得宇宙中的物體經歷向中心奇異點的加速過程。如果你從黑洞的遠處開始,停在原地,讓物體墜入黑洞,你將目睹如下情形:
假設你保持靜止,你會看到那無生命的物體緩緩加速,朝向黑洞。它將達到事件視界的速度,維持相同顏色,隨後發生怪事。它似乎開始減速,逐漸消失,顏色轉紅。但它並未完全消失,不是瞬時,也非永久。相反,它只接近這樣的狀態:越來越黯淡,越來越難以覺察。事件視界宛若物體光芒的漸近線;只要你足夠專註,始終可以目睹它。
現在,想象同樣的情節,但這次,不要幻想你遠遠地觀察那些可怕的物體。相反,設想你自己就是那被吸引的物件。你所體驗的將會大相徑庭。
空間曲率的嚴重性將使事件視界顯得比預期更大。在視界邊緣,空間嚴重扭曲,你將看到外部宇宙的多個反射像,仿佛它們被復制和倒置。
一旦跨越事件視界,你不僅會看到外部宇宙,還能目睹視界之內的一部份宇宙。你所接收的光會經歷藍移,但隨後再次紅移,因為你不可避免地朝向奇異點移動。在最終時刻,空間看似完全平整。
其中涉及的物理十分復雜,但計算相對簡單,最精妙的工作來自科羅拉多大學的安德魯·漢米爾頓,其系列論文跨越了2000年代末至2010年代初。漢米爾頓還基於這些計算,為你在被黑洞吸引的過程中所見的景象創造了一系列壯觀的視覺化效果。
我們從這些結果中可以學到很多直覺之外的經驗教訓。理解這一過程的一種方法是改變你對空間的感知方式。通常我們認為空間是固定的,觀察者處於某處。但在事件視界,你始終處於運動狀態。空間在本質上變化無常——如同活動的走道——不斷將萬物推向奇異點。
在事件視界內外,空間如移動人行道或瀑布般流淌,具體取決於你如何展示它。在視界,即使你以光速奔跑(或遊動),也無法克服時空的流動,將你帶向中心奇異點。
它移動所有事物的速度之快,即便你直接以無限力量從奇異點加速,你仍會墜向中心。視界外的物體仍能從各個方向發出光與你相遇,但你只能看到視界內部份物體。
定義觀察者所能見邊界之間的邊界線,在數學上由心形來描述,其中心形的最大徑向接觸事件視界,最小徑向終止於奇異點。這意味著即使奇異點是一點,它也不必然與其他一切相連。如果你和我同時從視界的兩側墜落,我們將無法在地平線相交後看到彼此的光。
當你被黑洞吸引或僅是靠近事件視界時,其大小和比例看起來遠超實際尺寸。對於觀察你的外部觀察者而言,你的資訊將被編碼在事件視界上。隨著黑洞蒸發,這些資訊會如何變化仍是未知。
其原因在於宇宙自身的動態結構。在事件視界內,空間移動速度超過光速,這是為何沒有任何東西能夠逃脫黑洞的原因。這也是為何一旦進入黑洞,你就會開始看到奇怪現象,比如同一物體的多個影像。
透過提問,如「奇異點在哪裏?」,有助於理解這一現象。
從黑洞的事件視界內部看,無論朝哪個方向移動,你都會遭遇奇異點。因此,奇異點出現在各個方向!如果你的腳指向加速方向,你將看到它們在你下方,但你也會看到它們在你的上方。所有這些都是直接計算得出,盡管非常違反直覺。這僅是簡化案例:非旋轉黑洞。
現在,讓我們看一個更有趣的情況:黑洞旋轉的情況。由於物質系統的存在,如恒星,黑洞總是帶有一定程度的旋轉。在宇宙(和相對論)中,角動量是任何近距離系統絕對的守恒量,沒有方法擺脫它。物質坍塌至事件視界半徑以下時,角動量會被捕獲,如同品質一般。
我們得到的解決方案現在變得更為復雜。廣義相對論由愛因史坦在1915年提出,而卡爾·施瓦次希爾德在幾個月後的1916年初推出了非旋轉黑洞的解決方案。但是,為了以更實際的方式模擬這一問題——考慮到如果黑洞也帶有角動量,而不僅僅是品質——這一精確解決方案直到羅伊·克爾在1963年才得以發現。
相比之下,更天真、更簡單的施瓦次希爾德解決方案與更現實、更復雜的克爾解決方案存在基本而重要的差異。無需特定順序,這裏有一些迷人的對比:
旋轉黑洞並非單一事件視界解決方案,而是有兩個數學解:內部和外部事件視界。
在外部事件視界之外,存在一個名為ergosphere的區域,其中空間本身以等於光速的旋轉速度移動,而落在其中的粒子經歷巨大加速度。
允許的角動量與品質的最大比值;如果角動量過大,黑洞將放射線能量(透過重力放射線)直至低於該極限。
並且,也許是最引人註目的,黑洞中心的奇異點不再是一點,而是一維環,環的半徑取決於黑洞的品質和角動量。
當你陷入旋轉的黑洞時會發生什麽?與非旋轉黑洞的情況相同,但所有空間的表現都像是它正向一個中心奇異點下降。相反,空間也表現得好像沿著旋轉方向被拖動,就像旋轉的漩渦。角動量與品質的比率越大,旋轉的速度越快。
盡管旋轉黑洞(外部)事件視界外和內的時空流動概念與非旋轉黑洞相似,但當你考慮穿過地平線的觀察者所見的外部(和內部)世界時,存在一些基本差異,導致一些令人難以置信的細節變化。經歷那個地平線的觀察者將看到外部(和內部)世界。當你遭遇外部事件視界時,模擬會中斷。
如果你凝視其中,你會發現自己逐漸變暗,仿佛被龍卷風卷入其中,沿著那個旋流的方向,你將會被拉長,像被揉搓成一個圓環或者一個盤狀物。如果你不幸深陷,你會感覺像是被瘋狂的旋轉木馬抽打,無情地把你拖向中心。而當你抵達那個奇異的點時,它會呈現一個環帶的形態;你身體的各部份會在克爾黑洞的內表面上的不同空間座標點碰到那個奇異點。當你從事件視界內部向奇異點靠近時,你將逐漸無法看見自己身體的其他部份。
但你應該從這一切中領悟到的最關鍵的資訊是,空間結構在活動中展現了它的力量,而事件視界則是那個,即便你以宇宙速度的極限——光速——逃遁,無論選擇哪個方向,奇異點總會將你俘獲的位置。
安德魯·漢米爾頓的視覺呈現是最佳的,最忠於科學的仿真,展示了真實情況的模樣,而且是如此讓人難以置信,我所能做的最強力的推薦就是,一遍又一遍地觀看他的模擬,直到你忽悠自己,讓自己以為你懂了。它是如此令人驚恐,又美麗無比。假如你大膽到讓自己飛向黑洞,穿過事件視界,這將是你所見的最後一幕!