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你所知的关于黑洞的一切,可能是错的?

一个恒星质量的黑洞能够扯碎任何过分靠近它们的物体。当越来越多的物质落入黑洞,部分物质会在磁场的作用下形成高速喷流。虽然我们可以用数学描述这一切,却无法证实这些天体的真实存在。

有关黑洞的一切或是令人惊奇,或是戏剧化,充满争议,神秘莫测——有时候,这四种感觉皆有。谈到黑洞,绝大多数人仍然感到困惑不解,由此产生的误解就像空谷回音一般反复出现。即便是天体物理学家也对它的诸多特征争论不休。所以,让我们不妨好好研究一番,看一看令我们困惑的究竟是什么?

 

贯穿黑洞故事始终的是宇宙中最神秘的相互作用——引力。人们早在几百年前就已知道,物体的个头变化会引起引力的巨大改变。类似太阳的天体如果神奇地收缩到其目前大小的十分之一,它表面的引力就会随之增大100倍。
由于气体易于压缩,自然而然地,太阳总有一天会在自身巨大的引力(比地球表面的引力强大33万3千倍)拉扯下收缩。当太阳核心的核聚变反应停止,向外推的气体压力便无法对抗向内拉的引力。太阳的进一步收缩就不可避免。那么,这一过程会不会一直持续进行,直至太阳发生全面坍缩?

 

今天,物体的运动速度必须达到每秒钟618公里才能逃脱太阳引力的束缚。在失控的全面坍缩中,是否会出现这样的情况:物体的逃逸速度需要达到每秒钟29万9千7百93公里才能摆脱引力的拉扯?以这一速度运动的物体每秒钟比光还多走1.6公里,就是说连光都无法脱身了。
 
束缚光

 

1783年,英国哲学家兼地质学家John Michell在致英国皇家学会的一封信中提出了一个大胆的猜想——光被束缚。他在信中写道:“假定存在一个球体,其密度与太阳相同,半径却是太阳的500倍。。。。这个球体发出的所有辐射会在自身引力的作用下折返。”换句话说,他设想了一种可能——即球体束缚自身发出的光。

 

13年后,法国科学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯在一本教科书中重复了这一观点。今天,人们普遍把他视为原创者(也许是不公正的)。不过,在18世纪,并没有人真的相信引力能把光拽回来。这个想法被静静地遗忘了。甚至拉普拉斯在其著作的后续版本中也不再提及。

 

1915年,当阿尔伯特·爱因斯坦在他的广义相对论中提出光的路径在引力场中的确会发生偏折,情况才突然发生了转变。不过,即使是爱因斯坦本人也不相信有任何天体真的能够坍缩到足够致密,以至于自身发出的光都无法逃出来。
 

 

物质如何扭曲时空:任何质量不为零的物体都能弯曲时空。物体的质量越大、越致密,它扭曲周围时空的能力越强。上面这幅图比较了不同质量的物体扭曲时空的能力。有时候,科学家也把黑洞称为时空的“裂洞”。(图片来源:ASTRONOMY:KELLIE JAEGER)

 

然而,就在爱因斯坦发表了他的理论不过数月,黑洞存在的可能性就出现了。当时正值悲惨的第一次世界大战,德国物理学家卡尔·史瓦西应征入伍。在一个战壕中,他证明了从爱因斯坦的场方程(把引力表述为时空的弯曲)出发,可以精确预测出恒星越缩越小引发的后果,就像《爱丽丝漫游仙境》中所描写的那样,直到它缩成针尖上的一点。可悲的是,1916年,史瓦西死于一种罕见的皮肤病,年仅42岁。不过,他做出的贡献让人们永远记住了他。今天,当讨论大质量恒星坍缩时,科学家把引力束缚超过光速的那一刻所对应的恒星大小称为史瓦西半径。
 

 

宇宙中的任何物体,只要压缩到足 够高的密度,都能成为黑洞。物体被压缩成黑洞时的半径叫做史瓦西半径。这一半径与物体的质量有关。我们可以从上图了解到太阳系各行星的史瓦西半径值。(图 片来源:ASTRONOMY: SARAH SCOLES AND ROEN KELLY)

 

从理论上讲,史瓦西的想法很好。但有许多想法,我们无法在现实生活中找到可以比拟的事物,比如说-1的平方根,或者堵住所有税收漏洞的概念。现实中是否存在史瓦西半径大小的物体?多年了,物理学家一直反复探讨这一问题。

 

在史瓦西的工作之后16年,印度天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡提出,根据爱因斯坦的狭义相对论的简洁方程,质量一旦超过微不足道的1.4倍太阳质量,坍缩的物体将不断缩小,无论怎样也无法达到平衡而稳定下来。
这意味着什么?这个物体是否会一直坍缩下去,直至不占用任何空间?直至它的密度变得无限大?科学家把如此奇异的一个极小点称为奇点。

 

似乎从相对论出发进行逻辑推理,推到极致必然导致奇点问题。尽管如此,在20世纪30年代,许多物理学家仍然争论说——说是希望也许更合适——必需存在一种机制让这一看似不可能的永恒坍缩停止下来。

 

多亏了量子力学的出现,他们找到了这样一种机制。当亚原子粒子——中子被挤压在一起,它们仍需要保留一点活动空间。因此,坍缩一旦使中子的独立空间受到侵犯,就必须停止下来。但有些物理学家,包括罗伯特·奥本海默,在1939年的一篇学术论文中坚持这一“刹车”机制只能起到一定作用。如果坍缩恒星的质量超过3-4倍太阳质量(双星系统的研究表明我们银河系里散落着许多这样的恒星),收缩的力量将无比强大。如同干洗店工人的噩梦一般,收缩会一直进行下去,什么都无法阻挡。
 
 

冰冻时间

 

奥本海默甚至更进一步提醒说,爱因斯坦已经证明了引力不仅会扭曲空间,也会改变时间。他和同事坚持认为在黑洞的“视界”——用史瓦西半径定义的边界,一旦越过,连光也无法逃脱——时间(在我们看来)会戛然停止。

 

那里是时间的终点?它形成了一个有意思的环。有些人开始把这些假想的坍塌天体称为“冰冻的恒星”。在过去,这是一个合理且有意义的称呼,现在仍是。一旦物体收缩到临界大小——仅比史瓦西半径大一点,在别处的观察者看来,其表面将再不会出现任何变化。

 

因此,大约在75年前,物理学家就意识到一件如今已被绝大多数人遗忘的事:没人能够目睹恒星坍缩成黑洞的整个过程。在我们看来,早在它形成“视界”或者成为奇点前,它的收缩就已经停止了。自此,它将永远冰冻在那个时刻,直到它的光芒逐渐消失。

 

也就是说,我们永远也看不到恒星坍缩成一个货真价实且能被证实的黑洞。坍缩物质的最后一小部分将需要无限长的时间坠落。

 

这一无限长的时间还不曾、而且也永远不会流逝完——虽然,说实话,这一“几乎是”黑洞的天体确实拥有一些真正的黑洞所具有的性质。
 
 

隔壁的宇宙

 

我们需要抓住相对论中的关键一点才能理解黑洞:参考坐标系。μ子是一个有助于我们理解这一概念的绝佳例子。它是电子的近亲,每时每刻都在利用相对论原理穿过我们的身体。

 

宇宙射线(主要是质子)进入地球大气层后,与空气中的分子碰撞,在高空中产生μ子。这些难以察觉的粒子每一个都比电子重207倍,仅能存活2微秒(即2x10的-6次方秒)。虽然μ子的运动速度接近光速,在衰变成其它亚原子粒子前,它走过的距离通常不超过0.8公里。但在地球表面——距离μ子的出生地56公里低处——它们还是能够不断穿过我们的身体。这是怎么回事?

 

答案令人惊异。对高速运动的μ子来说,距离缩短了。在它看来,地面距离它的出生地不再是56公里远,而是比一个城市街区还短。它完全可以在其转瞬即逝的生命中走完这一小段路程。但在我们看来,大气层的厚度远超过街区的长度。另一方面,μ子的时间变慢了,这正是爱因斯坦告诉我们的——物体在高速运动或者置身于强引力场时的情况,μ子的衰变也随之减缓。这些不同的“参考系”——我们的与μ子的——都成立。它们共同造成了μ子穿过我们身体的事实。没有一本教科书会说地球的大气层只有0.8公里厚,只是因为那在μ子看来是如此。我们只把自己的参考系当作衡量标准。

 

我们没有坚守自己的参考系,反而从落入黑洞引力场的物体的角度进行观察,这是大家对黑洞产生错误认识的主要原因。当科学家谈论大质量恒星坍缩成黑洞,他们并不会提到这一过程在我们的参考系中并不会上演。黑洞的“真实性”就像0.8公里厚的地球大气层。当天文学家研究银心的恒星围绕一个古怪的、拥有400万太阳质量的天体疯狂打转儿时,他们实际看到的只是一个“几乎是黑洞”的天体,而且它永远都是那副模样。

上图是银河系中心黑洞的计算机数值模拟效果。这个黑洞的质量是太阳的4百万倍。科学家认为,在黑洞的视界外侧,光子汇聚在圆形轨道上,标示出黑洞的边界。在图中较 亮、较大的区域,黑洞正在积极地吞噬物质。天文学家相信,只要望远镜足够灵敏,他们就能观测到这个光环。(图片来源:AVERY BRODERICK OF WATERLOO/PERIMETER INSTITUTE)
 
 

从理论到现实

 

关于致密天体的所有想法一直停留在理论阶段,直到1967年天文学家乔瑟琳·贝尔发现了第一颗脉冲星——这个天体每隔1.33秒发出一束光。科学家在两年后证实脉冲星是快速自旋的中子星。他们终于发现能够坍缩成近乎黑洞的大质量天体了。

 

位于蟹状星云中心的脉冲星不过20公里宽,却拥有1.4倍太阳质量。它的物质比一艘巨型游轮被压缩到一粒芥菜籽那么大还致密。在它的表面,逃逸速度与光速相差不大。当天文学家认识到中子星的奇异特性和致密程度后,他们认为黑洞可能是真实存在的。

 

其实,“黑洞”一词直至1964年才出现在记者Ann Ewing撰写的一篇科学文章中。后来,在1967年,著名的物理学家约翰·惠勒使用了这一名称。自那以后,这个名称便流行起来。

 

尽管黑洞并不完全存在于我们的现实中,但在它们自己的参考系里,黑洞是确实存在的。不过,你是绝不想去体验那一种现实的——对于一些事物,还是保持距离的好。不妨让我们做一次想象中的历险。如果你决定来一次黑洞之旅,你会有怎样的经历呢?当你接近黑洞时,一开始,你并不会注意到有什么不寻常的事发生。如果继续勇敢地前行,而且这个黑洞类似于蛰伏在银心的超大质量黑洞,当你进入视界时,除了发不出手机短信之外,你依然察觉不到有任何奇异之处。

 

自相矛盾的是,黑洞质量越小,其破坏能力越强。参观几倍太阳质量的普通黑洞会带给你完全不同的体验。在还没跨进视界之前,巨大的潮汐力便把你的身体像太妃糖一样拉长,然后扯成碎片。

2011年,天文学家发现一个气 体云团(编号G2)正在向着银心的超大质量黑洞撞去。他们追踪它的进展,并研究它随时间的变化。上图显示出黑洞怎样像拉太妃糖一样拉扯G2靠近视界那一侧的物质。天文学家把这一过程叫做“意大利面化”。每一年的图示都采用了相同的横坐标。(图片来源:MAX PLANCK INSTITUTE FOR EXTRATERRESTRIAL PHYSICS/ESO)

 

下一次的经历与这一次的完全不同。下一次,你会体验到自己被揉成了狗粮——这样的想象可能毫无意义。当一个参考系的观察者试图理解发生在另一个参考系内的事,事情就变得复杂难解起来。美国纽约州立大学新帕尔兹分校的Tarun Biswas教授是研究广义相对论的专家。我向他询问黑洞之旅的真实体验到底是什么样的?

 

他解释说:“如果一个观察者与恒星的坍缩物质一起坠落,他同样无法看到黑洞的形成。在他之前掉落的物质仍然需要花费无限长的时间落入黑洞。而在他之后掉落的物质对他没有一点影响。”
 
 

越过视界

 

黑洞的基本特征——视界是近些年的一个讨论焦点。长久以来,科学家相信这个假设的禁区边界没有任何标记。如果有人穿过超大质量黑洞的视界,他看不到有什么不同寻常的事情发生。但现在,一些物理学家争论说,光会在视界的内边界汇聚,形成一道超级炽热的“火墙”。这意味着,当你越过视界、在还没意大利面化或者被揉成狗粮前,迎接你的将是炼狱般的折磨。之前的理论与大尺度物理学——广义相对论一致,新提出的观点则来自于小尺度的量子力学。这两个学科不仅需要统一起来,它们的预测也需要彼此调和。

 

争论的问题不只有这个。有些科学家认为物质在越过视界后会消失得无影无踪;另一些人则坚持所有信息的永久消失违反了物理学的“统一性原理”。若此原理成立,则意味着没有任何信息会丢失。不过,当物体落入黑洞后,它的身份标记似乎的确是消失了。

 

在今年年初,史蒂芬·霍金声称这个问题不存在,因此登上了媒体的头版头条。霍金提出视界不会永远存在。它会挥发,包含在其内的物质会逃逸出来——自黑洞形成以来,它们就在以辐射的方式慢慢泄露出来。换句话说,看似消失的信息还会重新出现。对此,大多数物理学家只是耸耸肩膀。大家一致认为霍金的说法并不新鲜,他只是在转述别人的工作。争论还在继续进行。

 

所有的黑洞都在以辐射的方式向太空泄露物质。这意味着,经过足够长的时间,黑洞最终会完全挥发掉。这一外向流被称为霍金辐射,源自于量子效应。正、反粒子在太空中成对出现,因为发生湮灭而又很快消失。如果它们出现在黑洞的视界附近,其中一个可能会落入黑洞,而另一个则逃走了。如此一来,黑洞就会慢慢损失它的质量。(图片来源:ASTRONOMY: KELLIE JAEGER, AFTER STEPHEN DIIORIO (UNION COLLEGE))

 

去年11月,Biswas教授在《今日物理学》发表一则快讯称,史瓦西的数学推导根本没有暗示出视界的存在。如果真是如此,我们对黑洞的看法将会发生重大改变。因为对今天的天文学家来说,奇点和视界一直被认为是黑洞的基本特性。

 

我们今天关于黑洞的许多争论终有一日会尘埃落定。虽然我们永远无法亲自到黑洞走一遭,科学家们正热衷于发展一个能够统一量子力学和引力的理论。这个理论会告诉我们那里发生的一切。

 

科学家计划花10年时间在全球范 围内搭建一个亚毫米望远镜观测网——视界望远镜。它好似一台像地球那么大的望远镜,而且具有前所未有的高分辨率。有了如此高的精度,天文学家就能拍摄银心的黑洞及其视界外侧的气体、辐射的图像了。(图片来源:UNIVERSITY OF ARIZONA)

 

美国马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密松天体物理中心的Avi Loeb说:“随着量子力学的介入,奇点问题将不复存在。”
不过,使情况变得更加复杂的是,自旋黑洞的性质和不旋转的黑洞完全不同。例如,它会拉扯附近的时空,致使周围一切物体都不能保持静止。

 

无论怎样,黑洞理论几乎肯定要进行大修改。所以,若它还在困扰着你,你先不必急着解决。只要我们继续探索,我们就有希望等到这些冰冻的恒星“解冻”(至少在一定程度上)的那天。

 

恒星质量和超大质量黑洞的解剖图:

 

辐射层(左上):紧靠视界的外边缘,两类黑洞的引力都强大到足以把光子束缚在圆形轨道上(通常情况下,光子沿直线传播)。这些光子勾画出黑洞的形状。天文学家希望搭建一个足够大的望远镜观测网,以便观测银心的超大质量黑洞的光环和“黑影”。

 

最深处的稳定圆形轨道(左中):对这两类黑洞来说,这是吸积盘的内边界,也是物质能够平安围绕黑洞运动、不至于落入视界的最后地点。

 

吸积盘(左下):在坠落过程中,物质围绕视界形成一个吸积盘,并旋转落入视界,就像水旋转着从浴缸的排水口流走一样。对恒星质量黑洞来说,它的物质是由其伴星提供的。而在超大质量黑洞周围,有为数众多的恒星和气体云。黑洞可以从它们身上剥取物质。物质损失能量,便会旋转着向黑洞坠落,也许还会进入视界。

 

高速喷流(右上):两类黑洞都能把吸积的部分物质以高速喷流(接近光速)的形式从两极喷出。喷流发出射电和X射线辐射。超大质量黑洞的喷流能够延伸到几十万光年远处。天文学家仍在研究这些喷流的形成机制。

 

视界(右中):越过这一边界,连光都无法摆脱黑洞的引力束缚。史瓦西半径指的就是从黑洞中心到视界边缘的距离。视界标示出黑洞的“黑影”。超大质量黑洞的史瓦西半径与整个太阳系大小相当。即使你跨越这类黑洞的视界,你暂时也不会有所察觉,因为视界内的平均密度和水的密度差不多,你不会立刻遭受撕扯的折磨。恒星质量黑洞的史瓦西半径大约是数十公里。当你靠近这类黑洞的视界,你就会体验到黑洞潮汐力的威力了。如果你的脚先进入视界,那么你的脚受到的拉力要大于你的头受到的拉力,你就会被拉得像意大利面条一样又细又长。

 

奇点(右下):落入黑洞的物质和能量在此终结。这里的时空被无限弯曲。理论上讲,奇点不占用空间却拥有质量(几倍至几十亿倍太阳质量)。因此,无论是恒星质量黑洞还是超大质量黑洞,其奇点的密度都是无限大。(图片来源:ASTRONOMY:ROEN KELLY)

 

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