黑洞能通往另一个世界吗?关于黑洞不能不说的秘密

来源:中国科技网-科技日报
2016-05-06 10:28:13
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  关于黑洞不能不说的秘密

  文·本报记者 何 亮

黑洞能通往另一个世界吗?关于黑洞不能不说的秘密

■将新闻进行到底

  近日,关于黑洞似乎又有了一些新的进展。据英国《每日邮报》报道,天文学家最新观测显示,邻近星系中的两个黑洞以超越“埃丁顿极限”的速度吞噬伴星。在这个过程中,天文学家发现庞大的黑洞以四分之一光速的速度将物质排挤至周围空间,像打饱嗝一样释放出去。

  自从现代广义相对论诞生以来,黑洞便被科学家深深痴迷,从爱因斯坦到霍金,天体物理学家一直试图揭开它的神秘外纱,即使已经有多种探测设备被应用于黑洞的探测,但人类对于这个未曾谋面的天体仍有许多未解之处。

  秘密一:黑洞里有什么?

  黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程:恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高密度而产生的力量,使得任何靠近黑洞边界的物体都会被它吸进去,就连光都无法逃离。黑洞边界充满了能量,边界的量子效应产生了炽热粒子流,并向周围的宇宙空间辐射开来,这就是所谓的“霍金辐射”,这是以著名物理学家史蒂芬·霍金名字命名的。在足够长的时间内,黑洞将辐射消耗完自身的全部质量,并随之消失。

  “简单来说,黑洞就是引力引起的坍缩。”青年科幻作家、全球华语科幻星云奖得主江波向记者解释道:“我们的物质是由电磁力支撑的,引力大到一定程度,连电磁力都抵抗不住了,物质就坍缩,极端的情况就是黑洞。”

  由于人们无法直接观察到黑洞,物理学家只能对它内部结构提出各种猜想。天体物理学家认为,黑洞中并不是空空如也,而是充满了大量的物质,不管物质的来源如何,它都会被推挤到一个密度无限大的点上。这个点便叫做“奇点”。事实上,奇点的体积无限小、密度却无限大。奇点周围有一块黑暗区域,也就是黑洞的尺寸,是由它所产生的引力大小来衡量的。离黑洞很远的时候,光可以像往常那样自由穿梭,照亮它途经的天空。而靠近黑洞后,引力变得越来越大,最终,即使跑的像光那样快也无法逃离黑洞的引力。这就是为什么奇点四周有一块黑暗区域的原因。那个由于引力巨大以至光线也无法逃脱的边界,我们叫它“视界”。天体物理学家表示:“要知道黑洞里面是什么,我们需要有什么东西从视界里出来,并让我们用望远镜看到。对天文学家来说,要找到这样一个东西,最简单的就是光,不过黑洞连光都逃不出,因而我们无法获得任何信息。”

  秘密二:掉进黑洞会怎样?

  黑洞自身所带有的许多神秘色彩令人猜测,如果人掉入黑洞,究竟是会被立即撕成碎片,还是会安然无恙毫发无损?

  没人知道答案。不过,江波认为,也许掉入黑洞并不一定意味着死亡,你的命运或许会变得比你想象中的更加神奇、怪异,因为在一个场景里你已化为灰烬,而在另一个场景里,你还好好地活着。

  为什么能出现这样的情况,是理论物理学发展到现在的一个无法解释的悖论。江波假设了一个例子,你有一个名字叫小萍的同伴。当你在掉入黑洞时,她正处于安全的范围,而且亲眼目睹你掉入黑洞的恐怖的一幕。

  当你向黑洞的边界不断加速掉落时,因为引力的梯度变化太大,小萍会看到你首先被潮汐力拉长成一根意大利面,然后变成一团虚无。此外,当你距离黑洞边界点越近,你前进的速度看起来就会变得越来越慢,在小萍眼中,你就像凝固住了一样,静止在那里,没有任何动作,身体沿着边界不断拉伸,并被炽热的火焰所吞噬。

  然而,换成你自身的角度来回顾整个过程,上述神奇的事情并没有发生。当你向黑洞不断加速前进时,你没有任何碰撞或不安的感觉,当然没有拉伸、变慢的变化和可怕的烈火炙烤。那是因为你正处于自由落体运动过程中,你没有感受到任何重力。

  从小萍的角度来看,因为量子物理学的核心宗旨是信息永远不能丢失。任何一点点能够描述你存在

  的信息必须要留在黑洞边界之外,否则物理学定律将会失效。而从置身黑洞之中的你来说,没有遇到炽热粒子流或任何非正常事物也是事实。否则,你将违背了爱因斯坦论证的广义相对论。

  因此,物理学定律让我们得到一个似乎非常荒谬的结论。物理学家将这种矛盾的结论称为“黑洞信息悖论”,即人掉入黑洞必须同时具备两种状态,即黑洞外的一堆灰烬和黑洞内的活生生的人。

  幸运的是,美国物理学家李奥纳特·苏士侃于1990年找到了解决这一悖论的方法。他认为,这一悖论并不存在,因为没有任何人看到过自己的克隆版本。小萍只看到了那个化为灰烬的你,你也只看到了存活的自己,你和小萍永远无法将这两个“你”进行对比,也没有第三者同时看到黑洞内外的你。因此,没有任何物理学定律会被打破。除非你要求必须弄清楚哪个故事是真实的,你究竟是活着还是死的。

  江波表示,黑洞告诉我们一个重要的秘密,那就是没有所谓的“真实”。“真实”取决于你在问谁,既有小萍认为的“真实”,也有你认为的“真实”。

  秘密三:黑洞能通往另一个世界吗?

  黑洞能够扭曲空间,从而使原本相距很远的两点之间的距离大大缩短。就像如果你在纸上画一条线,线就会跟着纸张的形状走,当你弯折这张纸时,线的长度是保持不变的。但如果你把这张纸戳通,线的两端之间的距离就会缩小很多。

  在科幻小说中,黑洞往往被描写成通往另一个世界的大门,它可以将人们带到宇宙中遥远的角落,或带人前往一个全新的宇宙。1994年,史蒂芬·巴克斯特所著科幻小说《环》中有过这样描写,因为空间中的任何物体都有旋转的倾向,如果奇点的旋转速度够快的话,它就不是一个点,而会形成一个环状,环状奇点就成为通往其他宇宙的大门。因此,黑洞可能就是虫洞,是一个连接不同时空的大门。

  芝加哥洛约拉大学的物理学副教授罗伯特·麦克尼斯说,环状奇点是通往新世界的大门这一概念要想下定论还为时过早。因为,没人知道环状奇点是如何出现的。而且,只要当人们试图解决黑洞——虫洞中的数学运算时,就总会遇到难以使这道“大门”保持稳定的问题。“和现实中的建筑相比,它们实在太不稳定了”。

  另一个问题是,如果黑洞真的是通往其他宇宙的门户的话,我们应当能观察到从黑洞中凭空出现的物体,但目前还没有人观察到过这一现象。毕竟,就算只是意外事件,也总会有东西从其他宇宙中穿过来的。

  江波所赞同的看法是,哪怕宇宙有起点,宇宙之外仍旧有物理现实,只是我们局限于自己的时空属性不可探究。所以,对于科学而言,黑洞是否能带我们通往另一个世界超越了验证的东西,只能当作假设来看待。

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  超大质量黑洞如何形成?

  早在1783年,当时的天文学家就开始探讨黑洞存在的可能性,到1916年,科学家们利用爱因斯坦的广义相对论预测了黑洞的存在。

  天文学家们提出了两种黑洞的模型:一种是“中等质量黑洞”,这种黑洞的质量大约只是太阳的若干倍;另一种是“超大质量黑洞”,其质量可达到太阳质量的数十亿倍,相当于整个银河系里所有恒星质量的总和。

  人们已经知道,中等质量黑洞是由死去的恒星塌陷而形成,而超大质量黑洞的形成原因,却仍然是一个谜。目前最流行的一个理论指出,超大质量黑洞的形成与宇宙中第一代恒星有关,然而,最近的对早期宇宙模拟实验表明,就算是宇宙中的第一代恒星,其质量也仅仅相当于太阳的数倍,这对超大质量黑洞的形成来说是远远不够的。

  有另外的相关理论提出这样的假设:超大质量黑洞形成于质量高达太阳100万倍的恒星,这些恒星的形成过程不到200万年。也有另一种模型指出,超大质量黑洞诞生于银河系中心密集的恒星簇,这些恒星质量为太阳的数千倍,它们相互融合,并最终塌陷形成了黑洞。

  令科学家感到奇怪的是,近来的研究表明,早在宇宙形成不到10亿年的时间里,超大质量黑洞就已经存在了。对于这些黑洞为何会在宇宙历史中的这么早的时期就形成,科学家们难以给出一个合理的解释。

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