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被吸入黑洞的恒星都去哪里了?说好的物质守恒,难道凭空消失了?

2024-04-26科学

黑洞 ——想必读者对它都不觉得陌生。无论是大刘的【三体】,还是诺神的【星际穿越】,各种科幻作品中,只要写到宇宙,就从不会缺乏对黑洞的描绘。黑洞在人类的眼中,总是 神秘莫测 ,又 美丽危险

说它神秘,是因为人类目前的科技发展水平还不够高,虽然天文学界关于黑洞的猜测和计算从不曾停止,但至今也 没有一个可以揭示黑洞全貌的「最优解」 ;说它美丽,是因为科学家们的心中总认为黑洞中蕴藏的秘密,实际上也是 时间的秘密 ,而这一秘密一旦解开,人类将解决那个最终的哲学问题:「我从哪儿来?要到哪儿去?」。

说它危险,就再好理解不过了。没有物质可以逃离黑洞的捕获,而作为人类,则似乎 永远无法进入黑洞

然而,可以说人类的本质就是 「作死」 ,越不让我们做的事情,我们就越想做——我们不禁想象:要是我们真的「跳」进了黑洞,会看到怎样的场面?黑洞内部到底是什么?我们在进入黑洞之后又会变成什么样?往下看,我们一起用现有的天文学成果,科学地满足你的好奇心。

黑洞的中心——奇点

我们肉眼所见的黑洞,就像宇宙中的某处地皮突然被人抠走了一般,只留下一个漆黑的「深渊巨口」,不断地吞噬周围的一切,甚至连光都不放过。但,黑洞内部真如我们肉眼看到的一样,是一片 虚无 吗?

让我们从一个黑洞的诞生开始讲起。 广义相对论 预言了黑洞的存在,而它的提出者,正是我们的老朋友—— 爱因斯坦 。他认为,黑洞是宇宙中一种致密的天体,通俗地说就是一种 质量巨大的天体

黑洞的质量有多大?打个比方,你一下就能懂。如果把什么天体都没有的宇宙比作一个 弹簧床 ,那么黑洞就是把一个 不大,但极重的球 放在了床面上。床面自然会因为这颗极重的球 向下凹陷 ,而凹陷的部分,就是这颗球(也就是黑洞)的 事件视界 ,是因球(黑洞)的存在而形变(时空扭曲)的部分。

无论什么东西靠近,因为 床面的形变(时空的扭曲) ,都会不可阻挡地向中间滚去,这就是为什么黑洞可以吸引周围的一切天体,其实就是巨大的质量产生的 巨大引力 。而黑洞的质量产生的引力,甚至 连光都无法逃脱 !光都被吸走了,就像在一个黑漆漆的屋子里,我们自然也就无法看到黑洞到底长什么样了。

那么,问题就来了:被黑洞吸入的天体,都去了哪里呢?

众所周知,在天文学中比较广泛流传的说法,即黑洞是由 恒星 演化而来的。恒星并非永远发热发亮,它其实也有 寿命

在恒星活跃的期间,内部总是在进行不间断的 核聚变 反应,以此产生光和热。但核聚变并非凭空发生,而是要消耗恒星内的 氢原料 ,它并非无穷无尽,于是,等到氢用完的那天,恒星也随之走向了生命的尽头。

以太阳为例,它内部的氢可以支持它燃烧大约100亿年。直到今日,太阳的燃料还能支撑它燃烧60亿年左右,看来人类还远不用担心太阳变成黑洞。

恒星死亡后会发生什么?其实就好比人死之时突然失去了一切力气一般,开始 「坍塌」 了。因为「燃料」氢的耗尽,恒星自然也无法继续进行核聚变反应,由此也失去了抵挡它自身引力的能量。于是,恒星的所有物质都会 向内坍缩 ,逐渐被 压缩 成一个小点,成为黑洞的新中心——在天文学中,它被称为 「奇点」

天文学家 卡尔·史瓦西 对恒星被压缩得多小才会成为黑洞的问题做了计算,得出了 史瓦西半径 。以太阳为例,太阳的史瓦西半径约为3公里,也就是说,如果太阳成为黑洞,它的中心将是一个半径为3公里的小球。而如果是地球这么大的恒星,它的史瓦西半径则只有极小的9毫米。

也就是说,在「奇点论」中的黑洞,它的内部是一个 极小却极重 的,被不断压缩的 能量聚合体 。一切被吸入黑洞的物质,无论是天体或偶然靠近的人类,都会被巨大的引力撕得粉碎,然后被不断吸入「奇点」中。甚至连恒星发出的光也无法逃脱这一撕裂的过程——常见的黑洞的照片中,所见中心漆黑球体周围一圈一圈的光,正是被黑洞引力拉扯后的恒星的模样。

而在这过程中,黑洞的奇点也会随着吸收天体越来越多,变得越来越大、越来越重,由此又可以吸收更多、范围更广的天体。

如果这样的理论成立,进入黑洞的人类可能很快就会丧失一切知觉,因为肉体已经被引力 撕碎 。而在彻底失去意识之前,人类可能会借着正在被吞噬的恒星的光,看到 被拉成面条一般 的各种物质。

它们可能曾经是巨大的恒星,周围数十上百颗行星都曾围着它们转;它们可能是在宇宙中随意漂浮的陨石块、太空垃圾,本就「籍籍无名」;它们甚至可能是另一颗较小的黑洞,也已吞噬了无数天体……遗憾的是,在黑洞面前, 质量才是王道的「战斗力」 ,除此之外没有其他规则。

不一定是「奇点」,还可能是「千层饼」

不过,正如老话所说,「横看成岭侧成峰」,「奇点论」并非唯一的看待黑洞的观点。也有天文学家反对这样的观点,认为黑洞的中心并非一个「点」这么简单,反而可能是层层叠叠的 「千层饼」状

霍金 在其著作 【果壳里的宇宙】 中举过一个例子:假设一个宇航员在正在坍缩成黑洞的恒星上着陆,再假设该恒星将在12:00完成坍缩,成为黑洞。那么,如果宇航员定时发出信号,他分别在11:59:57、11:59:58、11:59:59发出的信号,会越来越延迟,而在12:00发出的信号,则 永远不会到达 空间飞船。

这是什么原理呢?通俗地说,即认为黑洞的引力并非会将靠近的物体撕碎,而是在 改变时空 上发挥更大的作用——也就是说,黑洞的引力使其视界内的时间变「慢」了。

时间是一个相对的概念。霍金例子中身处黑洞内部的宇航员,可能对时间的感知并无变化,而重大的变化发生在黑洞视界外的观测者上:观测者们会看到宇航员的动作越来越慢,越来越迟缓,最终只见他「静止」地矗立在某处。

后续的一些相关研究也证实了霍金的这一猜测,并且更为详细:

理论认为,如果从 外部观察者的视角 来看,掉入黑洞的人,在不断靠近黑洞的过程中,受到的 引力 会越来越大,由于 引力红移 (强引力场中天体发射的电磁波波长变长的现象),他发出的光线的波长会越来越长,直到抵达 无限红移面 ,波长被拉到无限长。

观察者会看到掉入黑洞的人先是变得 越来越红 ,像煮熟的小龙虾一样,随后变得 越来越暗 ,因为波长逐渐超出了可见光波段,最终和漆黑的黑洞「融为一体」,不再可见。

同时,巨大引力造成的 时间膨胀效应 也会越来越明显,即观察者会看到这个人的动作越来越慢,最终静止在视界面上——也就是说,他的时间在黑洞表面停止了。

那么,对于黑洞的跌入者来说,毫无疑问他已经进入了黑洞,毕竟在观察者眼中他已「静止」;但对于观察者来说,黑洞到底有没有把跌入者「吸入」黑洞呢?按理来说是没有的,因为他只是 停留在「视界面」 ,即黑洞表面而已。

那么,在这种理论的视角下,所有接近黑洞的天体其实都没有「被吞噬」,而只是被 「冻结」在黑洞表面 罢了。于是,黑洞在不断吸引天体的过程中越来越大,而被吸引的天体却没被「吸收」,还以另外的形式存在在黑洞内部,只不过由于引力改变了波长,使它们无法被人类观测到。

这一猜测被天文学家们命名为 「冰冻星悖论」 ,「冰冻星」其实就是「黑洞」曾经的称呼。在这一理论下,黑洞的内部其实是层层叠叠像「千层饼」一般的各类天体、物质。

黑洞是否可以为人类所用?

尽管黑洞中的谜题仍数量众多,但人们已经开始猜测,若有朝一日人类彻底解开了黑洞的谜题,黑洞是否可以为人类所用?

这不得不让我们提到广义相对论中的另一个概念—— 「虫洞」 。它由 爱因斯坦 纳森·罗森 提出,所以又叫 爱因斯坦-罗森桥 ,指的是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。严格意义上来说,黑洞和虫洞并不是一个东西。但并不乏有人猜测,穿越黑洞,是否可以达到穿越虫洞的效果?

毕竟,以「千层饼」理论的观点看来,黑洞中还存在有无数多的天体,它们在我们的眼中是静止的态势,也不可被我们观察到,但它们毕竟实际地存在着。 如果我们站在一颗黑洞中的行星上眺望地球,是否可以看见这颗行星被吸入的时间中,地球的模样?

这一切疑问或许要等待 量子物理学 取得巨大发展后才有解开的可能了。

此外,科学家们也十分好奇黑洞的 中心 究竟是什么样。如果有一个无限巨大的黑洞,它的引力大得人类无法想象,那么如果人类进入它的中心, 在时间无限慢的地方,是否人类就可以参透时间的奥秘? 宇宙自大爆炸诞生以来的所有事件是否会像一条清晰的时间线一般呈现在人类眼前?

正如【星际穿越】中,男主角进入黑洞后,所看见的那样?

而如果在无限大的宇宙中,早已有文明发展到可以进入黑洞的程度,已经参透宇宙的一切呢?他们会对地球上的人类做出什么行动吗?或许我们如今经历的一切都是冥冥之中的安排……

只要人类永不放弃对宇宙的探索,相信在无限遥远的未来的某一天,这一切谜题都能得到解答。