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深度長文:黑洞裡面到底是什麼?是另一個世界嗎?

2024-01-28 21:10:50

愛因斯坦的廣義相對論,早就預言了黑洞這種神秘天體的存在,但直到2019年,天文學家才拍攝到了黑洞的照片,也驗證了愛因斯坦當初的預言。

但是,更大的問題還在後面。其實是否拍攝到黑洞照片並不是很重要,因為天文學家們早就知道了黑洞的存在,拍攝到黑洞照片只是給大家吃了一顆“定心丸”。更大的問題是:黑洞到底是怎樣的天體?黑洞裡面到底是什麼?

首先我們需要明白黑洞是如何產生的。我們平時所說的黑洞通常是指“恆星類”黑洞,也就是由大質量恆星形成的。大質量恆星在生命晚期,走向死亡的過程中會急劇向內坍縮,在引力作用下,幾乎所有物質都會坍縮到一點,也就是所謂的“奇點”。

能夠看出,黑洞其實也屬於“恆星”的範疇,只不過是恆星死亡後的“墳墓”。知道了這些,再理解黑洞就相對簡單一點了。

按照愛因斯坦的廣義相對論,任何物體,尤其是大質量天體都會壓縮周圍的時空。舉個例子,把一個鐵球放在彈性布料上,鐵球就會造成布料向下凹陷。這時候把一個玻璃球放在凹陷的布料上,玻璃球就會沿著凹陷的中心滾輪,看起來就像是被引力吸引一樣。

上面所說的彈性布料就相當於時空結構,而鐵球就相當於恆星等大質量物體,玻璃球相當於圍繞恆星執行的行星等天體。恆星造成時空的彎曲,而行星等天體感受到了時空的彎曲做“測地線”運動,這就是引力的本質。



這裡多說一句,用彈性布料來形象地描述時空彎曲,其實是不嚴謹的,因為太空中沒有上下的概念,時空彎曲的方向是朝著物體的質心。網路上的示意圖只是一種簡潔的形象描述,主要是為了更通俗地表達時空彎曲,大家知道就行了。

也就是說,引力只是一種表象,其本質是時空彎曲。而且,質量越大的物體,對時空的彎曲程度越高,這與“鐵球越重,對彈性布料的壓縮程度越高”是一個道理。

比如說,太陽對時空的彎曲程度,就比地球更高。而黑洞則是一個非常另類的存在,它能把時空彎曲到極限。

但是,“彎曲到極限”到底該如何理解呢?其實嚴格來講,這已經超出了當今物理學的研究範疇,因為物理學研究的事物都是具體的,可描述的,而極限的概念是抽象的,不能具體描述的。

這也是為什麼物理學一旦遇到了“無限”的概念,往往都很頭疼。

把時空彎曲到極限,是不是意味著徹底把時空擊穿呢?就像剛才所講的把一個鐵球放在彈性布料上,如果鐵球的質量足夠大, 大到一定程度就可以把彈性布料完全撕裂,最終弄砸出一個洞。

事實上,科學家們早在20世紀30年代就已經開始這種問題了。愛因斯坦和羅森兩人透過求解引力場方程,得到了一個解,也就是後來的“愛因斯坦羅森橋”,後來被稱為“蟲洞”,蟲洞連線的是兩個不同的時空,甚至有可能連線到另一個世界。

不過,在物理學家惠勒看來,蟲洞這種結構是很不穩定的,理論上只要有任何物體進入,就會瞬間塌陷。後來隨著量子力學的發展,科學家們從理論上論證了蟲洞可以穩定存在,不過需要一種叫做“負能量”的東西幫助。

何為負能量?當然不是網路上經常出現的“戾氣”,它是一個物理概念,與能量是對應的。物理學上,真空也擁有能量,最低的能量,被稱為真空零點能。而低於真空的能量就是負能量。科學家們透過實驗已經證明了負能量確實存在。

要維持蟲洞的穩定,需要大量的負能量,而製造出足夠的負能量是很困難的,需要巨大的能量。根據質能方程,能量又意味著質量,巨大的能量意味著巨大的質量,而質量很容易在引力作用下發生坍縮。

不管如何,在理論上蟲洞的確是存在的,大自然也不反對蟲洞的存在。而在著名科幻電影《星際穿越》裡,就有黑洞和蟲洞的故事情節描述。在很多科學家眼裡,黑洞和蟲洞是有機的整體,男主人公穿越黑洞,來到不可思議的五維時空,完全是另一個世界。

雖然《星際穿越》裡的故事情節是虛構的,但有很強的理論基礎。物理學理論告訴我們,蟲洞不但存在,甚至宇宙中到處都有蟲洞,你的身邊可能就有蟲洞的存在。只不過這些蟲洞通常都很小,而且存在時間極短,宏觀物體不可能直接穿越。

有科學家甚至提出,被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”,也就是量子糾纏,很可能就是透過蟲洞來作用的。

除了黑洞之外,科學家們提出了更加瘋狂的概念:白洞。從名字上就能看出來,白洞的性質與黑洞相反,黑洞吞噬任何靠近的物體,而白洞正好相反,它“只吃不吐”。

同時,黑洞和白洞透過蟲洞連線起來,三者組成了一個有機的整體。科學家們甚至懷疑,我們的宇宙就是白洞“吐”出來的。

黑洞,其實並不是一片漆黑,因為它也在時刻向外輻射能量,當然不是直接輻射,畢竟沒有任何物體和資訊能逃離黑洞,而是透過“霍金輻射”這種間接方式輻射能量,在這個過程中慢慢蒸發,質量越大的黑洞蒸發越慢。

霍金不僅提出了“霍金輻射”理論,更是大膽提出,所謂的白洞其實就是黑洞,這就意味著,如果你不小心被黑洞吞噬了,別慌,你還會被黑洞“吐”出來的。但也有一個問題:被黑洞“吐”出來的你還是原來的你嗎?

當然,科學是嚴謹的,以上關於黑洞,蟲洞和白洞的描述其實都沒有經過實驗的論證,以目前的人類科學水平,也很難透過實驗進行論證。

剛才講了,我們的宇宙可能就是白洞“吐”出來的,這樣說並非“空穴來風”,因為早在2014年,就有科學家發表論文稱,宇宙大爆炸就是一個超大白洞“爆炸”出來的,是一個五維時空發生坍縮而產生的。

這是否意味著我們的宇宙其實原本就是一個黑洞呢?

別說,理論上還真有著這種可能。我們的可觀測宇宙的史瓦西半徑大約為138億光年,這個數字正好與我們能觀測的宇宙極限距離相吻合。既然如此,理論上講,我們的宇宙真的可能就是一個黑洞。

在此基礎上,我們可以大膽猜測,或許是更高維度的宇宙,比如說五維度時空宇宙裡的黑洞發生了坍縮,以“大爆炸”的形式產生了我們的宇宙,四維時空宇宙。

而這一點其實在科幻電影《星際穿越》裡也有所表現,男主人公穿越到五維時空,可以透過引力作用與四維時空裡的女兒進行交流。

除了以上這些,黑洞還有非常突出的一點:奇點。奇點位於黑洞的正中心,其實嚴格來講,黑洞就是奇點本身,由於奇點是沒有體積的,因此黑洞其實也是沒有體積的。而我們平時所說的黑洞大小,其實指的是黑洞“事件視界”的大小。

事件視界的半徑就是史瓦西半徑,質量越大,史瓦西半徑也就越大。一旦越過事件視界,人類已知的所有物理定律全部失效,更不要說奇點本身了。

也就是說,無論對於奇點做出任何解釋,都不會過分,因為任何可能性都會在奇點出現。由於無論是相對論還是量子力學,遇到了黑洞尤其是奇點都失效了,這意味著一定存在更高階的物理定律來詮釋黑洞。

那麼,如今的我們就沒有任何辦法去探索黑洞裡面的世界了嗎?

很遺憾,確實如此,我們只能探索黑洞與外部世界的相互作用,因為我們無法獲取黑洞內部的一切資訊。理論上講,確實有一種方法可以知道黑洞內部到底是怎樣的世界,而且這種方法簡單粗暴。

直接飛到黑洞裡面一探究竟。

但最大的問題是,即便我們發射探測器甚至直接派送人類飛到黑洞內部,而且假設探測器或者人類能完好無損,黑洞外面的人也無法獲取任何資訊,只有飛到黑洞內部的人才知道那裡到底是怎樣的世界,但是他無論如何都不可能把他看到的黑洞內部世界告訴給人類。

而且,對於黑洞外部的人來講,甚至無法看到這個人進入黑洞,只能看到他飛到黑洞事件視界的那一刻,就永遠停留在那裡了,一動不動!

為什麼會這樣?

這是因為黑洞強大引力引起的時間膨脹效應。在黑洞外部世界來看,當一個人不斷靠近黑洞事件視界時,他的時間會變得越來越慢,直到到達事件視界的那一瞬間,整個人都靜止不動到了,在事件視界永恆存在。

但實際上呢?在他自己看來,早就墜入了黑洞。但外部世界無法看到這一幕,理論上直到宇宙毀滅的那一天也無法看到!

實際上這也告訴了我們,如果你想活到宇宙毀滅的那一天,其實很簡單,有兩種方法。第一,以光速飛行。第二,來到黑洞的事件視界或者直接進入黑洞。

第一種方法不太現實,畢竟光速是四維時空的速度極限。但第二種方法是可行的,只要找到一個黑洞就可以了,找到一個黑洞,理論上來到事件視界的一瞬間,你就能看到宇宙毀滅的場景,因為你的一瞬間,外部世界已經過去了無限長的時間!

那麼,既然宇宙都毀滅了,你還會存在嗎?

這是一個大問題,其實本質上還是黑洞的本質。正如一開始所說,或許在穿越黑洞的那一刻,你已經到達了另一個世界,另一個宇宙,而原來宇宙的命運就與你無關了。

完!

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