由諾貝爾物理學獎引發的聯想:掉進黑洞會是怎樣的體驗?

2020-11-23 澎湃新聞

原創 Helen 羅博深數學收錄於話題#諾貝爾獎2個

作者 | Helen

文 2547字閱讀時間 7分鐘

導語

2020年10月6日，諾貝爾物理學獎被授予三位科學家，原因為「發現黑洞的形成是對廣義相對論的穩定預測」。這篇文章中，我們就一起來探索一下黑洞和銀河系最暗的秘密。

10月6日，瑞典皇家科學院宣布將2020年的諾貝爾物理學獎頒給Roger Penrose，Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 以表彰他們在研究黑洞上的進展。其中Penrose獲得一半獎金，Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 各自享有四分之一的獎金。

「今年諾貝爾獎獲得者對於超質量物體的研究成果是突破性的。但是對於這類物體的研究仍然有許多問題亟待解決。不僅僅是關於它們本身的結構，還在於怎樣在接近黑洞的嚴峻物理條件下測試我們的理論。」諾貝爾物理學獎委員會主席這樣評論。

三位獲獎者簡介

Roger Penrose

羅傑1931年出生於英國；後畢業於英國劍橋大學，是著名的數學家，物理學家。1988年曾因為和霍金共同發表的奇點定理獲得沃爾夫獎。

羅傑與霍金

羅傑此次獲得諾獎的原因是他用數學嚴格證明了黑洞的產生符合愛因斯坦廣義相對論的原理。實際上，連愛因斯坦自己都不相信黑洞這種「怪物」真實存在：它的質量太大以至於能吸引靠近它的一切，連光也逃不過它的手掌心。直到1965年1月，愛因斯坦逝世十周年，羅傑不但證明了黑洞可以存在，甚至還能確切描述黑洞的性質。在黑洞的最深處隱藏著一個奇點，在那裡我們一切已知的自然運行的道理都不再適用。他的在廣義相對論上的發現至今被認為是繼愛因斯坦以後最重要的發現。

Roger Penrose

Reinhard Genzel 與 Andrea Ghez

賴因哈德1952年出生在德國，物理學家，現任慕尼黑馬克斯-普朗克太空物理學研究所所長，也在加州伯克利大學兼任物理系教授。

Reinhard Genzel

安德烈婭1965年出生於美國，天文學家，在加州大學洛杉磯分校擔任物理學和天文學教授；同時，她也是歷史上第四位諾貝爾物理學獎女性得主（前三位分別是我們熟知的「居裡夫人」瑪麗·居裡、德裔美國物理學家瑪麗亞格佩特·梅耶和2018年的得主唐娜斯特裡克蘭。其中，瑪麗·居裡曾兩度獲得諾獎）。

Andrea Ghez

賴因哈德和安德烈婭分別帶領的團隊在銀河系的中心發現了一個看不見的超大質量的大密度物體，使得它周圍的物體高速旋轉。兩位科學家甚至能夠給接近銀河系中心的恆星進行精確定位。他們利用世界上最大的天文望遠鏡來透過星雲和星際塵埃觀測銀河系的中心。而且進一步優化了觀測技巧，讓地球大氣層引起的圖像失真減到最低。賴因哈德和安德烈婭的實驗為黑洞的真實存在提供了切實根據。

黑洞是什麼？

黑洞（Black hole）是時空展現出引力的加速度極端強大，以至於沒有粒子，甚至電磁輻射，像是光都無法逃逸的區域。廣義相對論預測，足夠緊密的質量可以扭曲時空，形成黑洞；不可能從該區域逃離的邊界稱為事件視界（Event horizon）。雖然，事件視界對穿越它的物體的命運和情況有巨大影響，但對該地區的觀測似乎未能探測到任何特徵。在許多方面，黑洞就像一個理想的黑體，它不反光。此外，彎曲時空中的量子場論預測，事件視界發出的霍金輻射，如同黑體的光譜一樣，可以用來測量與質量反比的溫度。在恆星質量的黑洞，這種溫度高達數十億K，因此基本上無法觀測。

美國東部時間2019年4月10日9時，全球多地天文學家同步公布了黑洞「真容」。該黑洞位於室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質量約為太陽的65億倍。它的核心區域存在一個陰影，周圍環繞一個新月狀光環。

掉進黑洞會是怎樣的體驗？

答案其實是沒人知道。即使真的有人有這樣的體驗，他也沒有辦法傳個iMessage回來。不過別失望，根據現有的物理學理論，我們可以猜一猜會發生的事情。

還記得薛丁格的貓嗎？當我們觀察了貓以後，世界一分為二，一個世界裡貓是死的，另外一個世界裡貓是活的，但是他們只感覺到一個世界。存在是相對的。而掉進黑洞的你，就是薛丁格的貓。

對於正在墜入黑洞的你來說，世界正在一分為二。一個你活著，另一個你死了。當然這並不是魯迅先生說的「有些人活著，但已經死了；有些人死了，卻還活著」。不同的宇宙裡，你真的有著不同的命運。

因為黑洞的密度太大，會產生強大的引力場，所以時空會隨之扭曲。你正在黑洞的邊界，這裡也叫做「事件視界」，是黑洞引力剛好抵消光線逃逸能力的邊界。你可以想像時空像瀑布一樣迅速地往奇點處流，而再快的速度（即使是光速）也沒有辦法抵消這樣的水流，於是你只能隨著引力慢慢墜落。

如果這時候有人能看著你墜入黑洞，那麼根據相對論洛倫茲變換的原理，因為你的速度太大，你會被漸漸拉成麵條狀。同時你的時間也在膨脹，真正的黑洞裡一天，地下千年。越接近黑洞，對於你的觀察者來說，你的運動要越緩慢，最終停止在「事件視界」。身體被不斷拉伸，最終被霍金輻射的火焰吞噬。這個世界的你死了。

可是對於你來說，你的旅程還長著呢。當然了，如果你倒黴透頂，掉進了和地球差不多質量的黑洞，摧枯拉朽的潮汐力作用下，你可能撐不過兩秒。這裡潮汐力是讓你的頭和腳受到不同強度引力場作用而被拉伸的力。

如果幸運的你掉進了一個足夠大的黑洞，那麼潮汐力的作用可以忽略不計，你正在自由下落，卻什麼也感覺不到，不會有顛簸，時間仿佛停止。與其說是引力在拽著你，不如說是時空扭曲到時間在帶著你前進，所以只能向前，不能後退。直到你到達奇點，那裡體積無限小，質量無限大，引力無限大，時空曲率無限大。沒有人知道在那裡會發生什麼。

之所以有兩個世界，是因為量子力學要求信息不能缺失。廣義相對論要求在觀察者的世界裡你必須死亡，而你的世界裡你必須存在。而不可能有任何觀測儀器同時觀測到黑洞內外的你。

說到這裡，我想唯有《紅樓夢》的這一句能概括了，正所謂「假作真時真亦假，無為有處有還無。」掉進黑洞究竟是怎樣的體驗，恐怕要等4040年的諾貝爾物理學獎獲得者來回答了。