黑洞 ——想必讀者對它都不覺得陌生。無論是大劉的【三體】,還是諾神的【星際穿越】,各種科幻作品中,只要寫到宇宙,就從不會缺乏對黑洞的描繪。黑洞在人類的眼中,總是 神秘莫測 ,又 美麗危險 。
說它神秘,是因為人類目前的科技發展水平還不夠高,雖然天文學界關於黑洞的猜測和計算從不曾停止,但至今也 沒有一個可以揭示黑洞全貌的「最優解」 ;說它美麗,是因為科學家們的心中總認為黑洞中蘊藏的秘密,實際上也是 時間的秘密 ,而這一秘密一旦解開,人類將解決那個最終的哲學問題:「我從哪兒來?要到哪兒去?」。
說它危險,就再好理解不過了。沒有物質可以逃離黑洞的捕獲,而作為人類,則似乎 永遠無法進入黑洞 。
然而,可以說人類的本質就是 「作死」 ,越不讓我們做的事情,我們就越想做——我們不禁想象:要是我們真的「跳」進了黑洞,會看到怎樣的場面?黑洞內部到底是什麽?我們在進入黑洞之後又會變成什麽樣?往下看,我們一起用現有的天文學成果,科學地滿足你的好奇心。
黑洞的中心——奇異點
我們肉眼所見的黑洞,就像宇宙中的某處地皮突然被人摳走了一般,只留下一個漆黑的「深淵巨口」,不斷地吞噬周圍的一切,甚至連光都不放過。但,黑洞內部真如我們肉眼看到的一樣,是一片 虛無 嗎?
讓我們從一個黑洞的誕生開始講起。 廣義相對論 預言了黑洞的存在,而它的提出者,正是我們的老朋友—— 愛因斯坦 。他認為,黑洞是宇宙中一種致密的天體,通俗地說就是一種 質素巨大的天體 。
黑洞的質素有多大?打個比方,你一下就能懂。如果把什麽天體都沒有的宇宙比作一個 彈簧床 ,那麽黑洞就是把一個 不大,但極重的球 放在了床面上。床面自然會因為這顆極重的球 向下凹陷 ,而凹陷的部份,就是這顆球(也就是黑洞)的 事件視界 ,是因球(黑洞)的存在而形變(時空扭曲)的部份。
無論什麽東西靠近,因為 床面的形變(時空的扭曲) ,都會不可阻擋地向中間滾去,這就是為什麽黑洞可以吸引周圍的一切天體,其實就是巨大的質素產生的 巨大重力 。而黑洞的質素產生的重力,甚至 連光都無法逃脫 !光都被吸走了,就像在一個黑漆漆的屋子裏,我們自然也就無法看到黑洞到底長什麽樣了。
那麽,問題就來了:被黑洞吸入的天體,都去了哪裏呢?
眾所周知,在天文學中比較廣泛流傳的說法,即黑洞是由 恒星 演化而來的。恒星並非永遠發熱發亮,它其實也有 壽命 。
在恒星活躍的期間,內部總是在進行不間斷的 核聚變 反應,以此產生光和熱。但核聚變並非憑空發生,而是要消耗恒星內的 氫原料 ,它並非無窮無盡,於是,等到氫用完的那天,恒星也隨之走向了生命的盡頭。
以太陽為例,它內部的氫可以支持它燃燒大約100億年。直到今日,太陽的燃料還能支撐它燃燒60億年左右,看來人類還遠不用擔心太陽變成黑洞。
恒星死亡後會發生什麽?其實就好比人死之時突然失去了一切力氣一般,開始 「坍塌」 了。因為「燃料」氫的耗盡,恒星自然也無法繼續進行核聚變反應,由此也失去了抵擋它自身重力的能量。於是,恒星的所有物質都會 向內塌縮 ,逐漸被 壓縮 成一個小點,成為黑洞的新中心——在天文學中,它被稱為 「奇異點」 。
天文學家 卡爾·史瓦西 對恒星被壓縮得多小才會成為黑洞的問題做了計算,得出了 史瓦西半徑 。以太陽為例,太陽的史瓦西半徑約為3公裏,也就是說,如果太陽成為黑洞,它的中心將是一個半徑為3公裏的小球。而如果是地球這麽大的恒星,它的史瓦西半徑則只有極小的9毫米。
也就是說,在「奇異點論」中的黑洞,它的內部是一個 極小卻極重 的,被不斷壓縮的 能量聚合體 。一切被吸入黑洞的物質,無論是天體或偶然靠近的人類,都會被巨大的重力撕得粉碎,然後被不斷吸入「奇異點」中。甚至連恒星發出的光也無法逃脫這一撕裂的過程——常見的黑洞的照片中,所見中心漆黑球體周圍一圈一圈的光,正是被黑洞重力拉扯後的恒星的模樣。
而在這過程中,黑洞的奇異點也會隨著吸收天體越來越多,變得越來越大、越來越重,由此又可以吸收更多、範圍更廣的天體。
如果這樣的理論成立,進入黑洞的人類可能很快就會喪失一切知覺,因為肉體已經被重力 撕碎 。而在徹底失去意識之前,人類可能會借著正在被吞噬的恒星的光,看到 被拉成面條一般 的各種物質。
它們可能曾經是巨大的恒星,周圍數十上百顆行星都曾圍著它們轉;它們可能是在宇宙中隨意漂浮的隕石塊、太空垃圾,本就「籍籍無名」;它們甚至可能是另一顆較小的黑洞,也已吞噬了無數天體……遺憾的是,在黑洞面前, 質素才是王道的「戰鬥力」 ,除此之外沒有其他規則。
不一定是「奇異點」,還可能是「千層餅」
不過,正如老話所說,「橫看成嶺側成峰」,「奇異點論」並非唯一的看待黑洞的觀點。也有天文學家反對這樣的觀點,認為黑洞的中心並非一個「點」這麽簡單,反而可能是層層疊疊的 「千層餅」狀 。
霍金 在其著作 【果殼裏的宇宙】 中舉過一個例子:假設一個太空人在正在塌縮成黑洞的恒星上著陸,再假設該恒星將在12:00完成塌縮,成為黑洞。那麽,如果太空人定時發出訊號,他分別在11:59:57、11:59:58、11:59:59發出的訊號,會越來越延遲,而在12:00發出的訊號,則 永遠不會到達 空間飛船。
這是什麽原理呢?通俗地說,即認為黑洞的重力並非會將靠近的物體撕碎,而是在 改變時空 上發揮更大的作用——也就是說,黑洞的重力使其視界內的時間變「慢」了。
時間是一個相對的概念。霍金例子中身處黑洞內部的太空人,可能對時間的感知並無變化,而重大的變化發生在黑洞視界外的觀測者上:觀測者們會看到太空人的動作越來越慢,越來越遲緩,最終只見他「靜止」地矗立在某處。
後續的一些相關研究也證實了霍金的這一猜測,並且更為詳細:
理論認為,如果從 外部觀察者的視角 來看,掉入黑洞的人,在不斷靠近黑洞的過程中,受到的 重力 會越來越大,由於 重力紅移 (強重力場中天體發射的電磁波波長變長的現象),他發出的光線的波長會越來越長,直到抵達 無限紅移面 ,波長被拉到無限長。
觀察者會看到掉入黑洞的人先是變得 越來越紅 ,像煮熟的小龍蝦一樣,隨後變得 越來越暗 ,因為波長逐漸超出了可見光波段,最終和漆黑的黑洞「融為一體」,不再可見。
同時,巨大重力造成的 時間膨脹效應 也會越來越明顯,即觀察者會看到這個人的動作越來越慢,最終靜止在視界面上——也就是說,他的時間在黑洞表面停止了。
那麽,對於黑洞的跌入者來說,毫無疑問他已經進入了黑洞,畢竟在觀察者眼中他已「靜止」;但對於觀察者來說,黑洞到底有沒有把跌入者「吸入」黑洞呢?按理來說是沒有的,因為他只是 停留在「視界面」 ,即黑洞表面而已。
那麽,在這種理論的視角下,所有接近黑洞的天體其實都沒有「被吞噬」,而只是被 「凍結」在黑洞表面 罷了。於是,黑洞在不斷吸引天體的過程中越來越大,而被吸引的天體卻沒被「吸收」,還以另外的形式存在在黑洞內部,只不過由於重力改變了波長,使它們無法被人類觀測到。
這一猜測被天文學家們命名為 「冰凍星悖論」 ,「冰凍星」其實就是「黑洞」曾經的稱呼。在這一理論下,黑洞的內部其實是層層疊疊像「千層餅」一般的各類天體、物質。
黑洞是否可以為人類所用?
盡管黑洞中的謎題仍數量眾多,但人們已經開始猜測,若有朝一日人類徹底解開了黑洞的謎題,黑洞是否可以為人類所用?
這不得不讓我們提到廣義相對論中的另一個概念—— 「蟲洞」 。它由 愛因斯坦 和 納森·羅森 提出,所以又叫 愛因斯坦-羅森橋 ,指的是宇宙中可能存在的連線兩個不同時空的狹窄隧道。嚴格意義上來說,黑洞和蟲洞並不是一個東西。但並不乏有人猜測,穿越黑洞,是否可以達到穿越蟲洞的效果?
畢竟,以「千層餅」理論的觀點看來,黑洞中還存在有無數多的天體,它們在我們的眼中是靜止的態勢,也不可被我們觀察到,但它們畢竟實際地存在著。 如果我們站在一顆黑洞中的行星上眺望地球,是否可以看見這顆行星被吸入的時間中,地球的模樣?
這一切疑問或許要等待 量子物理學 取得巨大發展後才有解開的可能了。
此外,科學家們也十分好奇黑洞的 中心 究竟是什麽樣。如果有一個無限巨大的黑洞,它的重力大得人類無法想象,那麽如果人類進入它的中心, 在時間無限慢的地方,是否人類就可以參透時間的奧秘? 宇宙自大爆炸誕生以來的所有事件是否會像一條清晰的時間線一般呈現在人類眼前?
正如【星際穿越】中,男主角進入黑洞後,所看見的那樣?
而如果在無限大的宇宙中,早已有文明發展到可以進入黑洞的程度,已經參透宇宙的一切呢?他們會對地球上的人類做出什麽行動嗎?或許我們如今經歷的一切都是冥冥之中的安排……
只要人類永不放棄對宇宙的探索,相信在無限遙遠的未來的某一天,這一切謎題都能得到解答。