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不小心掉进黑洞会发生什么?能看到宇宙的尽头吗?

2024-03-19科学

黑洞就像宇宙中开的无底洞,它的存在引发了许多有趣的讨论。例如,一个黑洞能否吞噬另一个黑洞?如果可以,那么这个黑洞会变大还是直接消失?如果我们不慎掉入黑洞,会发生什么?如果躲在黑洞的事件视界,我们能否窥见宇宙的尽头?今天,我们就来探讨这些问题。

黑洞是宇宙中最神秘和最奇特的天体之一。它们起源于普通的恒星,但在超新星爆炸后经历了一系列变化。这种爆炸与我们通常理解的爆炸不同,它不会像烟花那样升空后消失不见。举个例子,地球的引力对我们的生活和运动产生了很大的影响,它使我们能够在地球上站立和行走。一个物体的质量越大,它受到重力的影响就越大,就越不容易离开地面。相反,像蚂蚁这样质量很小的生物,就很容易被风吹走。

另一方面地球的质量保持不变,大部分质量集中在地幔,剩下的在地核。想象一下,如果我们剥去地球表面的一层,就像剥洋葱一样,但地球的表面积变小了,我们感受到的重力也会变强。想象一块磁铁,如果把它放在泄气的气球里,就比较容易吸住外面的磁铁。如果气球充满气,那么中心的磁铁对外面的磁铁的吸引力就会减弱。所以,即使物体在地面上的质量很轻,但如果表面积减小到一定程度,它受到的重力作用也就越大,就容易被压缩,就像被吸进中心一样。因此,一旦发生超新星爆炸,即一颗恒星的核心燃料耗尽时,如果这颗恒星的核心质量不变,但表面积迅速减小,就会发生引力塌缩,产生一颗只有引力的恒星核心,这就是黑洞的诞生。

而关于引力,在爱因斯坦的广义相对论中,引力被认为会使时空弯曲和变形。黑洞是一种质量非常大的恒星,因此可以想象它的引力有多强大。与引力相关的一个概念是逃逸速度,这解释了火箭为什么能飞离地球——因为火箭的力量和速度超过了地球的引力。而当我们把球抛向空中,它没有飞出地球,而是落回到我们手中,是因为力量和速度不够。在黑洞面前,即使是速度最快的光也无法逃脱,这就是为什么黑洞是黑色的。它们就像一个看不见的无底洞,不断吞噬着周围的能量和物质。

实际上,人类从18世纪起就开始研究黑洞。法国数学家和天文学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯在研究光的性质和牛顿的引力理论后认为,光也受到引力的影响。如果一个天体的质量和密度足够大,那么即使是光速也无法摆脱它的引力。现在最广为人知的黑洞理论包括爱因斯坦在1905年提出的质能方程,以及1915年提出的广义相对论。到了1916年,德国天文学家和物理学家卡尔·施瓦西尔德利用爱因斯坦的广义相对论方程,独立推导出了描述黑洞的解——施瓦西尔德黑洞解。当太阳半径为零时,在核心的中心点,时间曲线趋于无穷大,这意味着时空本身是不可定义和不可观测的。在那种状态下,物理学就不再适用,时间和空间都无法用物理来定义。在这个引力奇点中,过去、现在、未来都是乱序的。

2019年,人类首次成功观测到了黑洞,并拍摄到了第一张黑洞的照片。照片上有一个明亮的环形物体,中心部分是黑洞的影像。环形物体是由于黑洞周围的物质被吸入产生的。科学家的研究显示,我们的宇宙中存在着无数的黑洞。如果我们离它们太近,或者掉进黑洞里,会发生什么呢?在黑洞内部有一个称为事件视界的边界,这与地球上的地平线有些类似,但我们无法知道事件视界之外会发生什么。

目前的科学家已经通过数学模型和模拟研究,大致了解了物质接近和穿过事件视界时可能发生的情况。前面提到引力可以扭曲时空,但当物质落入黑洞时,它们会被黑洞吸引并加热,并且物体本身会发出辐射,包括可见光和其他光谱中的辐射。这些辐射会被望远镜和其他仪器探测到,这就是为什么黑洞周围会有环绕着橙色光的现象,就像土星环一样。

如果我们到达黑洞的事件视界,会发生什么呢?假设我的脚先进入了事件视界,脚这一边会受到更强的引力,而头那边则受到相对较弱的引力。一个身体受到了不同的引力拉扯,就会被拉成细长的条状物。黑洞可以把人体拉到极限,最后将人撕成碎片。如果这时有人从地球上观察我进入了视界,他们会看到,我在进入事件视界的那一刻会停下来。在这里,我的身体还没有被拉长,没有碎成碎片。这是因为引力越强,时间流逝的速度就会变慢。从地球上看,我进入事件视界的时候几乎是静止的,但在黑洞这里,我会一直往下掉。假设我可以一直漂浮在事件视界的周围,我就感觉不到时间在流逝,但是边界外面的宇宙看起来就像在不断快进一样。因此,躲在事件视界上可能可以观察到这个宇宙的尽头。

在热力学中,熵的增加是指事物逐渐膨胀和解体的过程。熵的增加是随着时间的推移,比如从现在到未来,一个正向的过程。如果时间可以倒流,那么熵就会减少。如果黑洞内部不存在时间,就不会有过去、现在、未来,那就意味着那里没有熵。但反过来说,假设一个物质落入黑洞,物质的熵就会减少,导致黑洞的熵会增加。

在1972年,以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦提出了一个理论,他认为黑洞中存在熵,并且和黑洞的事件视界表面积成正比。同时,根据黑洞质量,他预测黑洞也是有温度的。在1974年,英国著名的物理学家史蒂芬·霍金提出了一种理论——霍金辐射。指的是黑洞在宇宙中吸收和辐射能量的过程。黑洞不是完全的吞食物体,而是会在吞噬物体时发出一些能量,这是由于在黑洞附近产生的虚粒子对,其中一个粒子被黑洞吞食,而另一个粒子则逃入了黑洞。这就导致黑洞会失去一定的质量和能量,这个理论证明了黑洞并非永远存在。它们会随着时间的推移慢慢蒸发,最终消失。

白洞说,也只是一个理论,认为黑洞是另外一个空间,或者是宇宙通往白洞的入口,被黑洞吞噬的东西会从白洞里出来。物理学家在1970年就开始研究白洞,如果说黑洞的事件视界是连光都无法逃脱的边界。那么白洞的事件视界就是任何东西都可以进入的边界,你可以把它想象成一个相反的黑洞。

那么这边就有一个疑问,如果白洞真的存在,那白洞放出的东西又是从哪里来的呢?而且白洞是如何产生的?有一种说法是,如果发生了伽马射线爆,其中恒星释放出大量的能量,就有可能产生白洞。2007年,科学家曾经实际观测到一次伽马射线爆,当时是由于两颗中子星碰撞引发的。如果在这个过程中产生了一个白洞,它就会在一瞬间释放出所有的能量。

还有理论认为,黑洞消失后就产生了白洞。在2020年8月26号,在超过60亿光年的仙女座方向,马里兰大学美国宇航局戈达德太空飞行中心的国际研究小组发现了一次0.65秒的伽马射线爆,编号是GRB200826A。这次0.65秒的伽马射线爆,预计释放的能量是整个银河系释放的所有能量的1400万倍。GRB200826A是超新星爆发时出现的?还是说它是一个正在消失的黑洞产生的结果目前还不得而知。一般来讲,发生在两秒以内的伽马射线爆就叫做短伽马射线爆,超过两秒就是长伽马射线爆。伽马射线爆发释放出这么强大的能量,所以就有人认为宇宙大爆炸其实就是一次伽马射线的爆发,假设有一个大得离谱的黑洞。黑洞有一天到达了它生命的终点,并且变成了超新星,引发长时间的伽马射线爆发,大量的能量迅速向外抛出,然后就创造了一个新的宇宙,这听起来还挺有趣的。

还有一个有趣的理论就是虫洞理论。尼克鲁德·维普拉夫斯基是一位波兰裔的美国天体物理学家。他提出了一种有关于宇宙起源的理论即黑洞白洞宇宙大爆炸理论,这个理论认为宇宙的起源是由于一个超级巨型黑洞的爆炸而形成的。在这个黑洞中,时间和空间被弯曲到了极限,形成了一个白洞,从而产生了一个新的宇宙。这个宇宙在黑洞爆炸的过程中迅速膨胀,形成了我们所看到的宇宙。这个理论和传统的大爆炸理论是不同的,大爆炸理论认为宇宙起源于一个无限小、无限热和无限密的点。而维普拉夫斯基的理论则认为,宇宙起源于一个黑洞,我们生活的宇宙存在于一个巨大的黑洞之中。而我们所在的宇宙的黑洞中可能存在着另外一个宇宙,这就意味着我们的宇宙中可能出现了一个白洞。如果那个白洞没有消失的迹象,那么黑洞内部有一个宇宙的理论相对来说就很可靠了。