前面2期文章中我重點講解了黑洞逃離的辦法、黑洞的起源、黑洞為什麼能夠使得時空閉環,但是我並沒有詳細講解黑洞是如何讓「時空」形成「閉環」的,所以這期文章將針對這個話題進行詳細說明。
根據上一期的文章講解我們知道,黑洞的「逃逸速度」會大於光速,如果沒有看上期文章我再講解下「逃逸速度」是啥,就是你平拋一個小球給予小球一個初速度,小球能夠克服引力離開這個天體的最小初速度,就是這個天體的「逃逸速度」。
由於上一期我們詳細分析了逃逸速度問題得出一個結論:就算有物體可以超光速,速度超過黑洞的逃逸速度,其實我們仍然不能離開黑洞。因為黑洞把周圍的時空極度彎曲形成了「時空閉環」,所以你速度再快也沒用,更何況目前任何物體都無法超光速。這就好好比於一個人要去美國,他說自己可以擁有很快的速度,但是連路都沒有,你如何去呢?時空閉環就是「沒有路」的意思。
我們先來解釋下「時空閉環」,由於「時空」這個東西是四維物體(x,y,z,t),目前我們空間發現的維度只有三維(注意:只是空間維度是三,非空間維度還有多少目前尚無定論),所以要把一個四維物體通過三維的空間展示出來,是非常困難的,所以我們還得先把「時空」這個物質「降維」。
假設目前去掉一個維度z,那麼時空這個物體就剩下(x,y,t)的「三維時空」了,這裡為啥可以隨意去掉z,因為x,y,z三個維度都是空間維度,且這三個維度屬性完全一致。由於時空變得只有三個維度我們就可以把它展示在「三維空間」裡面。(因為我們空間目前只有三維,所以一個大於三維的事物是無法完整展示再我們的空間中,必須降維)。
由於目前時空中,只有x,y兩個空間維度,所以目前你能活動的範圍只能是一個平面範圍,假設此時這個平面中間有個黑洞(當然此時黑洞也被降維了,變成一個小圓薄片了),由於黑洞會對周圍的時空進行彎曲,所以黑洞會以這個平面的各個方向把時空往黑洞裡面吸,從而時空就朝向黑洞中心塌陷了。
這裡我們要注意:由於x和y形成的二維空間並未彎曲,但是加上t形成的「三維時空」就彎曲了,說明時空彎曲的主要是由t來造成(當然x和y這兩個維度對時空彎曲也有幫助,並不是說彎曲的功勞全是t做的),所以這個「時空閉環」讓物體無法逃逸黑洞的關鍵就是t。
上兩期文章我專門講解了「黑洞」無法逃逸的原因,並不是黑洞的「逃逸速度」超過光速,而是因為黑洞將周圍的時空形成「閉環」,造成壓根沒有「路」讓物體可逃逸。
這個「時空閉環」到底是什麼?我們可以這樣理解,由於你所活動的範圍是一個平面,你在平面上任意一點的空間坐標是(x,y),接下來就是時間坐標t,我們假設在這個平面垂直上方的高度表示t這個維度,t一直增加,就等效於你開始脫離平面往上飛起來了,時間過得越久,你就越往更高的地方飄,雖然脫離了這個平面,但是在空中做垂線與平面相交你會發現,這個投影依然是在這個平面上的,如下圖所示。
如果你的空間坐標一直不變,那麼時間t這條線肯定會垂直於平面呈現直線往上走,因為你在空中往這個平面的投影(也就是空中做垂線與平面相交的點)是不變的(因為空間坐標沒變),這裡需要注意的是,由於平面中心有個黑洞,你如果沒有一個反向力拉物體,物體是會滑向黑洞的,所以剛剛說空間坐標保持不變,其實要做到這點必須有一個反向力維持住物體處於靜止。
說到這裡時空閉環依然還沒解釋清楚,我接著往下說,當你想通過一個反向黑洞的力F把物體從這個平面拉出來,按照牛頓力學解釋,只要F大於引力,我只要保證物體有一點點速度在往反方向走,接下來只需讓F=引力,物體即可慢慢被我拉出(保證物體只有一點點速度是為了防止速度太快造成的「質量增加效應」)。但是根據廣義相對論,該物體就算處於黑洞,引力依然不是力,是時空彎曲的體現,所以你用F力拉物體,當你把物體往外面拉一點,雖然空間維度來看,你可以持續把物體往外面拉,但是時間維度你會發現,你往空中飄壓根就飄不動了,如下圖所示。
往空中飄不動,對應的物理含義就是:往這個方向走,時間會幾乎靜止。但是當你改變運動方向,比如圍繞黑洞做圓周運動,你會發現你的時間開始慢慢又在動了,也就是你又可以往更高的地方飄了。如果你往黑洞方向走,黑洞表示非常高興,因為黑洞就是要吸收一切事物,這就是所謂「順勢而為」,你會發現,你的時間變得更順暢了,你在空中更加自由的往更高的地方飄了。
所以大家明白了吧,黑洞之所以無法逃逸,不是因為物體不能超過光速,導致物體達不到「逃逸速度」,而是因為黑洞使得周圍時空形成閉環,你想往黑洞反方向走,空間維度允許你這麼做,時間維度不允許你這麼做,越往反方向走,你的時間越凝固。
同時還有一點要說明,剛剛說你在平面上飛起來了,其實是指你的時間維度在增加,你本人還是在這個平面上並未飛起來,只是我們把垂直與於平面的這個維度用t來表示,由於t只能增加,無法倒流,所以你只能越來越往上飛,無法中途突然下降,也無法平行於平面飛。
通過以上模型,我們能夠直觀感受到「時空閉環」是如何形成的,當然以上模式是四維時空的「簡化模型」,因為忽略了z這個維度,但是如果你能夠真正理解這個簡化版本模型,那四維時空你肯定也能理解到位了。總之用一句話表達黑洞為什麼無法離開?縱使空間維度允許你離開,時間維度卻殘酷的凍結一切。其實嚴格意義上來說:不僅時間維度阻止你逃離黑洞,空間也會阻止你的,這個問題以後再談,現在馬上再去談空間如何阻礙物體逃逸,本文就太長了。我是百家號《小彭來給您解惑》,如果喜歡我的文章可以關注我,如果對文章有異議可以留言評論。