在宇宙中,黑洞是頂級天體,它處於食物鏈的頂端,大小通吃,比黑洞大很多的恆星,只要靠近黑洞,也無可奈何的被黑洞吞噬。
黑洞的引力其實與任何同等質量天體是一樣大的
事實上,只要是這個世界上的物體,都必須遵循萬有引力定律,黑洞也不除外。因此黑洞的引力並不比同等質量的恆星大,而是一樣大。
萬有引力是人類發現的第一種基本力,是迄今發現的四種基本力中的一種,艾薩克·牛頓最偉大之處,就是發現了萬有引力,並給出了它的定律。
牛頓在1687年出版的《自然哲學的數學原理》一書中,提出了萬有引力定律,這個定律啟蒙了人類文明,揭示了世上萬物的運動規律,指導了人間科學三百多年。
萬有引力的本質是質量對時空的扭曲。這一點雖然牛頓時代並沒有給出,一直到愛因斯坦1915年發表的廣義相對論才予以揭示,但牛頓的萬有引力定律迄今仍然是人類認識世界最基本的基石。
在這個定律中,引力的大小是與質量成正比,與距離平方成反比的。因此同等質量的恆星與同等質量的黑洞引力就是一樣大的。
目前我們發現的黑洞,最小的有太陽質量的3倍多,而已知最大的恆星r136a1,質量是太陽的265~300倍。
那麼3倍太陽質量的黑洞能吃掉300倍太陽質量的恆星嗎?答案是肯定的。只要r136a1靠近黑洞,再小的黑洞也會吃掉它。
既然同等質量的黑洞和恆星引力是一樣的,為什麼黑洞就一定會吃掉恆星呢?
這就要說到黑洞之所以是天體食物鏈頂端的最根本原因了,那就是「小」。在同等質量的天體中,黑洞體積是最小的。
「小」才是黑洞最強大的武器。而這一點正是引力定律中根本的一點:引力大小與天體之間距離平方成反比。
但這個距離不是表面到表面,而是質心起算的距離。
恆星質心到表面距離很大,引力衰減的就很大;黑洞表面到質心的距離很短,表面引力就大到極端,通吃一切。
距離我們104億光年有一顆迄今已知最大的黑洞,坐落在獵犬座編號為TON618,已經有太陽質量的660億倍,還在不停的吞噬著周邊的天體物質,每年要吞掉4、5顆恆星。
黑洞裡面有什麼?對大多數人來說,這個問題似乎比黑洞長什麼樣更有意思。
最簡單理解黑洞的方法大家都懂,在一個軟床墊上放一個蘋果和一個鐵球,床墊發生了凹陷,我們可以說床面發生了扭曲,附近的玻璃小球當然容易掉向蘋果或鐵球,好似受到了它們的吸引。
以床面類比時空,以蘋果鐵球類比物質,那就是物質可以使時空扭曲,這就產生了引力效應。
太陽讓時空床墊「凹陷」,「產生」了引力,讓地球繞自己旋轉。
越重的東西讓床面扭曲越嚴重,鐵球比蘋果造成的凹陷更大,同理,太陽比地球對時空的扭曲更大。
如果是更大質量的東西呢?它們會對我們這可愛的「時空床墊」怎麼樣?會把它砸穿嗎?
其實,這個問題科學家比我們關注的更早。早在1930年,愛因斯坦和他的同事羅森在求解引力方程的時候得到了一個解,這個解後來被稱為「愛因斯坦-羅森橋」,通過這個橋可以聯繫到宇宙的另一邊,如下圖。
愛因斯坦本人並不是很重視這個解,他認為這太過於異想天開了。但後來的物理學家對此很感興趣,比如1957年美國物理學家惠勒在論文中第一次使用了「蟲洞」這個詞:
這種分析迫使人們考慮各種情況。在有淨力線(引力或電磁力)流動的地方,通過拓撲學家所說的多重連接空間的「把手」,那就是物理學家說的更生動的術語:「蟲洞」。
但惠勒在論文中指出,這種蟲洞是極其不穩定的,只要有東西(比如光子)進入,它就馬上被掐滅了。
第一個提出「蟲洞」的惠勒。
再後來,隨著量子場論的發展,以及拓撲學和宇宙學的結合,很多物理學家,比如霍金、基普索恩等都論證了蟲洞是可以穩定存在的,並且是可穿越的。滿足某些條件以後,甚至可以存在宏觀上看得見的大型蟲洞,比如索恩(就是那喜歡和霍金打賭的諾獎得主)就和學生莫裡斯搞出一個「莫裡斯-索恩蟲洞」理論,從外觀上看起來,這是一個球體,由一種奇異物質撐開,只要你鑽進這個球,就可以實現星際穿越!
法國圖賓根大學裡,一個模擬的「莫裡斯-索恩蟲洞」。
相對於身殘志堅的霍金,基普索恩絕對算得上是人生贏家,他跟霍金打賭三次,全部獲勝,贏得了一大堆成人雜誌不說,還在2017年獲得了霍金夢寐以求的諾貝爾物理學獎。
霍金(左)因《時間簡史》而聞名世界,然而他在自己的著作中也提到過,基普索恩(右)堪稱他的「苦手」,霍金三次打賭全部輸給後者。
基普索恩面向大眾最成功的一件事,就是參與了著名科幻大片《星際穿越》的製作,這部經典影片中的蟲洞,也是一種「莫裡斯-索恩蟲洞」。
《星際穿越》裡的「蟲洞」。
除了《星際穿越》,在各種科幻小說、電影中,「蟲洞」都深得科幻迷的青睞。太空甚是遼闊,依靠遠低於光速的太空飛行器,要實現穿越星系的星際航行簡直是痴人說夢,而「蟲洞」則給我們提供了一種「捷徑」,星際穿越,不再是夢!
甚至連NASA也在幻想利用蟲洞實現星際旅行。
很可惜,《星際穿越》裡的情節只是虛構,到目前為止,人類所有的探測器都沒有發現過一個宏觀的蟲洞。但物理理論又告訴我們,蟲洞在宇宙中到處都是,甚至可以說,我們身邊也可能會有蟲洞的身影,只不過這種蟲洞都極其微小。就有一種猜想認為,可以發生「超距作用」的量子糾纏,就是通過蟲洞來連接的。
有物理學家猜想,蟲洞的連接和量子糾纏的連接其實是一回事。
話說愛因斯坦的引力方程可真是一個寶庫,1964年,蘇聯物理學家諾維科夫在研究引力場方程的解,他發現在某種條件下,可以存在著一種「白洞」。也就是說粒子被黑洞吸進去,從「白洞」噴出來。
宇宙中有「白洞」嗎?
白洞和黑洞的基本性質幾乎完全一樣,也有質量、電荷、角動量等,然而兩者的個性卻完全相反,一個只進不出,一個只出不進。
對此,霍金是這樣解釋的,黑洞並不「黑」,可能叫它「灰洞」更好,因為它每時每刻都在發出一種「霍金輻射」,看起來好像是黑洞在「蒸發」。越大的黑洞「蒸發」越慢,越小的黑洞「蒸發」越快。如果一個黑洞小於月球質量(大約),它在宇宙中的輻射量就將大於它吸收的量,它的質量將不斷損失。
好了,霍金論證完畢,白洞原來根本不是什麼新鮮玩意兒,白洞就是黑洞。如果你被小黑洞吸進去,很快就會被噴出來;當然如果你被大黑洞吸進去,遲早也會被噴射出來。問題是噴出來的你還是原來的你嗎?
霍金畢生都在研究黑洞。
以上也只是理論的一家之言,科學的基礎是實證,在沒看到「白洞」的真面目之前,這些空洞的理論只能被束之高閣。
有人設想過,類星體就是「白洞」的一種候選者,但沒有足夠的說服力。
2006年6月14日,尼爾·格雷爾斯雨燕空間天文臺在印第安星座方向、距離地球16億光年處探測到了一次強烈的伽馬射線暴(GRB 060614),共持續了102秒。按照之前的理論,這種「長暴」是來自超大質量恆星坍縮成黑洞,奇怪的是,這次事件卻沒有找到任何超新星出現的跡象。它挑戰了之前關於伽馬射線暴和黑洞的科學共識,2011年,有物理學家發表論文,提出GRB 060614就是傳說中的「白洞」!
伽馬射線暴GRB 060614的發現。
2012年,一篇題為《白洞重現——小爆炸》的論文出現,震驚了全球的科幻迷。文中,作者提到,創造我們宇宙的「大爆炸」就是一個「白洞」。類似的,如果我們的宇宙中也存在白洞,那也不會是持續不斷的噴出,而是類似「大爆炸」那種,是一次性的「小爆炸」!這也許是白洞為何難以觀測的一個原因。
《白洞重現——小爆炸》(The revival of whit holes as small bangs.)在《新天文》(New astronomy)上發布的網頁。
2014年,另外三位科學家發表的論文更進一步,指出創造我們宇宙的「大爆炸」是一個超大白洞的爆炸,它就是一個五維時空坍縮的焰火。
原來,我們宇宙就是一個黑洞?
有人還真的計算了可觀測宇宙的史瓦西半徑,發現恰好是約137億光年,這更是支撐了宇宙黑洞論。根據上面這篇論文,我們更可以猜測,是上一級五維時空的宇宙,通過黑洞坍縮的形式,大爆炸出了我們的四維時空。
我們的宇宙大爆炸就是白洞嗎?
你想到什麼了嗎?
《三體3——死神永生》中,大劉給我們描述了這樣一個黑暗森林宇宙,宇宙級文明把自己的生存作為第一要務,甚至不惜以最大的惡意去揣測其他宇宙文明,這樣的猜疑鏈戰爭不斷升級,它們甚至犧牲自己的生存空間,將宇宙不斷「降維」。原來,宇宙大爆炸本身就是一種降維嗎?
難道說,宇宙大爆炸就來自上一級宇宙的黑洞?上一級四維空間的宇宙裡物質進入了黑洞,就啟動了我們宇宙的白洞大爆炸?那我們宇宙裡的黑洞就是下一級二維宇宙的白洞大爆炸?進入了黑洞,就到了一個二維的世界?
再深入一些,黑洞的吸積速度就是驅使下一級宇宙膨脹的暗能量嗎?我們上一級宇宙的那個黑洞有多大?我們會被「蒸發」嗎?
一種理論,黑洞奇點=大爆炸奇點。在這裡,並沒有描述維度的變化。
話說黑洞在各種科幻小說、電影裡多次出現,但真正提到進入黑洞和黑洞內部的還真的很少,影片《星際穿越》是其中了不起的一個。
按照上面的說法,貌似黑洞裡應該是低維宇宙,然而《星際穿越》中,男主進入黑洞,卻發現這是一個高維宇宙。在這裡,男主發現自己身處一個時間矩陣當中,他可以過去各個時間點發生的故事。
有人說這裡是3維空間+2維時間=5維時空
《星際穿越》裡的黑洞內部
回顧一下黑洞的理論基礎,黑洞的中心是一個奇點(Singularity),在這裡所有的物理理論都失效了。而在外圍有一個事件視界(Event Horizon),在視界內部,光都逃不出去,因此稱為「黑洞」。事件視界的半徑叫做「史瓦西半徑」,黑洞質量越大,史瓦西半徑就越大,這個黑洞「黑」的區域也就越大!
黑洞的中心是一個奇點(Singularity),視界(Event horizon)內部的光線都無法逃脫,視界到奇點的距離就是史瓦西半徑,方程如圖。
總之,既然是「奇點」,就是說當前的科學理論還無法解釋這裡究竟發生了什麼,那麼,不管你如何幻想,都是有可能的。上面關於黑洞內部的一切的一切,都只是可能而已哦。
還是那句話,科學必須講究「實證」,人類畢竟不可能像《星際穿越》男主那樣深入黑洞,看看那裡面究竟有什麼「么蛾子」的。所以有科學家開玩笑說:「就實驗精度而言,凝聚態物理>>高能物理>>宇宙學!」 宇宙學也因此成為各種奇思異想的「重災區」,然而,這不是很有意思嗎?
理論上,當星系的光線穿越黑洞,會發生如圖中奇異的稜鏡現象,但人類的壽命太短,觀測這種現象可能需要幾十萬年甚至更久。
然鵝,如果真的有勇士願意探險,那會怎麼樣呢?
霍金曾經在《果殼裡的宇宙》中舉過一個著名的例子:有一個勇敢的太空人在一個正在坍縮變成黑洞的恆星上著陸,預計黑洞在12點坍縮,也就是說這個太空人在12點進入黑洞的視界,然後永世不得超生。
由於黑洞超強的引力,太空人每秒鐘發出的信號間隔在外部看來將越來越被拉長,到了12:00,他發出的信號將被無限延遲。也就是說,從外部觀察,會看到太空人越來越慢,到最後甚至不動了,即使到宇宙末日也看不到太空人墜入視界的那一瞬間。
航天員在11:59:57時發出他的第一個信號,航天員在11:59:58時發出他的第二個信號。
而反過來,從太空人的角度來看,他會看到外部的信號加速了,也就是說外面的時間越來越快。到了12點他墜入視界的時候,他將看到全宇宙未來所有發生的事件,直到宇宙滅亡。
總之,想看到宇宙的結局有兩種方法:
1, 達到光速
2, 進入黑洞
達到光速,也可以看到宇宙終結哦!
如果你繼續問我,進入黑洞後究竟能看到什麼?
其實上面已經提到了幾個答案:蟲洞、白洞、低維宇宙、高維宇宙。其實還有一種可能性:平行宇宙。
與霍金相比,彭羅斯在數學方面的造詣更深,他將閔可夫斯基圖進行了廣義相對論推廣,得到了一個「彭羅斯圖」,如下圖。
「彭羅斯圖」分為四個區域:我們所在的宇宙、黑洞、平行宇宙、白洞,圖中黑洞和白洞裡的波浪線就是奇點,四個區域的中心交點是蟲洞。宇宙中的光線沿向右上45度,和視界(horizon)平行。而一般的物體達不到光速,就沒有那麼好運了,它們最終都將如藍線一般墜入黑洞中的奇點。
彭羅斯圖
但這張「彭羅斯圖」卻告訴我們,存在著一條道路,可以穿越中間的蟲洞,進入平行宇宙。
原來,平行宇宙並非和我們的宇宙絕對平行,有時候也是可以相交的。
平行宇宙之間可以通過蟲洞來連接嗎?
好了,黑洞裡面是什麼,我們已經敞開了幻想,列數了各種可能性。在這些奇妙的理論背後,是無數理論物理學家的辛勞和智慧。在這裡,我們尤其緬懷去世的霍金。
霍金曾經說過:「『黑洞』是科學史中極為罕見的情景,在沒有任何觀測到的證據證明其理論是正確的情形下,作為數學的模型被發展到非常詳盡的地步。」
然鵝,霍金究竟沒有活到黑洞圖像揭秘的這一天,如果霍金能活到現在,當他看到真實的黑洞影像時,僵硬的嘴角是不是會咧開一絲神秘的微笑?