本文摘编自《人类知道的太多了》(经未读授权转载发布),章节标题:《如果我被吸进黑洞怎么办》,作者:[巴拿马] 豪尔赫·陈、 [美]丹尼尔·怀特森,翻译:邓舒夏、尔欣中、苟利军,出版社:海峡书局,头图来自:视觉中国


似乎很多人都心存这个问题。



这是一个常见难题,许多科学书都有提到,也是我们的听众、读者经常问的问题。但为什么呢?美国各家后院到处都会冒出黑洞吗?有人打算在其中一个黑洞附近野餐,并担心自己的孩子在无人看管的情况下到处跑来跑去吗?


大概不会吧。有可能的是,人们对坠入黑洞的兴趣与它真正发生的概率没有太大关系,更多地与对这些迷人天体最初的好奇心有关。我们现在明白:黑洞是神秘的。它们是奇异的空间区域,没有任何东西可以逃脱——这块时空结构中的空洞[1]将与现实的其他部分完全分隔。


但是落入一个黑洞会是什么感觉呢?你一定会死吗?这和掉进一个普通的洞有什么不同?你会发现宇宙内部的深层秘密,还是会看到时间和空间在你眼前展开?你的眼睛(或大脑)在黑洞里还会工作吗?


只有一个办法可以找到答案,那就是投身其中。所以,拿起你的野餐毯子,和你的孩子们说再见(也许是永别),抓紧了,因为我们即将跳入后院的终极危机当中。



靠近黑洞


当你接近黑洞时,你注意到的第一件事可能就是,黑洞看起来确实……很像黑色的洞。它们的确是黑色的:黑洞不会发出任何光,任何碰到它们的光线都会被困在里面。所以当你看一个黑洞的时候,你的眼睛看不到任何光子,因此大脑将其解释为黑色。[2]


它们也的确是洞。你可以把它们想象成球形的空间,任何进入其中的东西都会永远留在那里。让东西保持在黑洞里面的,是之前存在于黑洞中物质的引力:黑洞中的质量被压缩得非常致密,引力作用巨大。为什么?因为离有质量的物体越近,引力就越强,而质量被压缩意味着你能非常接近它。


通常情况下,质量很大的物体会弥散在一个很大的范围。以地球为例,地球的质量大约相当于一个直径半英寸(约1.27厘米,一个玻璃球大小)的黑洞。站在离地球中心一个地球半径的地方,和站在距离一个同等质量黑洞一个地球半径的地方,你会感觉到同样的引力。



但当你分别靠近这两个物体时,两种截然不同的状况发生了。当你接近地心时,你实际上开始感觉不到引力了,这是因为地球现在环绕着你,所以你在各个方向上都受到均等的拉力。但当你接近小黑洞时,你会感到巨大的引力,你会感觉到整个地球的质量,全部质量真切地向你接近。这就是黑洞:它有超致密的质量,这使它对周围的物体具有极强的作用。



极其致密的质量周围会产生极大引力,在一定距离内,空间会被扭曲得非常严重(请记住,引力不仅会拉动物体,还会扭曲空间),甚至连光都无法逃逸。光线不能再逃逸的点被称为“事件视界”,(或多或少[3]定义了黑洞的大小,它是我们称为“黑洞”的黑色球形的半径。


黑洞的大小可以改变,这取决于你在里面挤压了多少质量。如果把地球压缩到足够小,你会得到一个玻璃球大小的黑洞,因为在距离中心大约1厘米的距离上,光线再也无法逃逸。但当你增加更多质量时,这个距离会更大。例如,如果你压缩太阳,空间的扭曲程度会更高,事件视界会出现在距中心更远的地方——3千米处,最终产生一个直径6千米的黑洞。质量越大,黑洞就越大。


实际上,黑洞的质量在理论上没有限制。我们在太空中探测到的最小黑洞直径大约有20千米,最大黑洞直径有数百亿千米。唯一的限制其实是黑洞周围有多少物质可以供形成黑洞,以及给黑洞多少形成的时间。



当你接近黑洞时,你注意到的第二件事可能是黑洞通常并不孤单。有时你会看到环绕在黑洞周围的东西掉入黑洞中。或者更准确地说,你会看到这些东西旋转着,等待掉进黑洞。



这种物质被称为“吸积盘”。它由气体、尘埃和其他物质组成,这些物质没有被直接吸入黑洞,而是在轨道上绕转,等待自己被螺旋吸入。对小黑洞来说,这看起来可能不那么壮观,但对超大质量黑洞来说,这应该令人惊叹。所有气体和尘埃以超高速旋转时所产生的巨大摩擦力可能非常强烈,导致物质被撕裂。这会释放出大量能量,创造出宇宙中一些最强大的光源。这些类星体有时可能比单个星系中所有恒星加起来还要亮数千倍。


幸运的是,并不是所有黑洞甚至超大质量黑洞都能形成类星体(或者耀变体,就此而言可以说是打了类固醇的类星体)。绝大部分时间,吸积盘没有足够物质或合适条件创造这样一种夸张场景。这是一件好事,因为离类星体太近会让你瞬间蒸发,你甚至都来不及瞥见黑洞。希望你选择掉入的黑洞周围的吸积盘友善而相对平静,这样你才有机会接近黑洞。



越来越近


当你确认你坠入的黑洞不是一个燃烧的气体和尘埃在其中旋转,喷发出的能量超过数十亿颗恒星的总和的马桶后,接下来你可能需要担心引力本身造成的死亡。


在听到“引力致死”这个词时,你通常会想到从高处坠落身亡,比如从建筑物或飞机上。但在这些情况下,引力不是罪魁祸首,杀死你的是着陆而不是坠落。然而,在黑洞附近的空间中,实际上杀死你的是坠落。


要知道,引力不仅吸引你,还会试图把你撕成碎片。请记住,引力的大小取决于到有质量物体的距离。当你站在地球上,你的脚比头更靠近地球,这意味着脚比头感觉到更大的引力。如果你拉橡皮筋的一端比拉另一端更用力,即使朝同一个方向拉这两端,橡皮筋也会被拉伸。这就是现在发生在你身上的事情:你身体上离地面更近的部分感觉到更大的引力,地球试图像拉橡皮筋一样拉伸你。[4]



当然,你也可能感觉不到被拉伸,这是因为:(1)我们的身体是柔软的,但不是那么柔软(也就是说,我们只是被很好地结合在一起);(2)你的头和脚之间的引力差不是那么大。地球上的引力很弱,这意味着你的头和脚感觉到的引力差不多。


但如果引力整体更强,那么你可能会有麻烦。假设你朝着一个质量非常大的物体自由落体运动,那么引力可能大到让你感觉头和脚之间的拉力不同。这有点像游乐场的滑梯:滑梯越高,向下的滑道就越陡。某种程度上,头、脚两端的引力差就足以真的将你撕裂。


这就是很多科学书籍都会告诉你的:不可能活着进入黑洞。书上通常会说,黑洞周围的引力实在太强了,你甚至在进去之前就会被“意大利面条化”(也就是被撕开)。但事实上,这不一定是真的!活着完全有可能进入黑洞。


原来,引力将你撕裂的点(我们称之为“意大利面条化的点”)和光线无法逃离黑洞(黑洞的边界)的点是不同的,黑洞的质量不同,它们的位置实际上相对不同。意大利面条化的点的变化与黑洞质量的立方根成正比,而黑洞的边界则随质量呈线性变化。


对小黑洞来说,这意味着意大利面条化的点大于事件视界,这个点位于黑洞边界之外。但对于较大的黑洞,意大利面条化的点比黑洞边界更小,位于黑洞内部。例如,一个质量相当于太阳100万倍的黑洞,其半径为300万千米,你到达距离它中心2.4万千米的深处时,引力才会将你撕开;相反,一个半径为30千米的小黑洞会在你距离它中心440千米时就将你撕开,此时你还没有到达黑洞边界。



小黑洞实际上比大黑洞更危险,这听起来可能有些奇怪,但这就是黑洞的数学原理。更大的黑洞覆盖了非常大的区域,它们的边界处不需要有太强的力量,就能把东西吸进去并留在里面。

 

抵达黑洞


好的,你已经成功选择了一个没有被疯狂派对包围的黑洞,并且它的质量足够大,你进入它之前并不会被撕裂,这意味着……你准备好进去了。但要当心,这也是事情开始变得棘手的时候。


当你靠近黑洞时,你会注意到两件有趣的事情。


第一件事,在事件视界半径3倍距离的地方,你会看到吸积盘到此为止,这使黑洞周围的区域基本上空空如也。这是因为,任何比这一点更近的物质都会很快掉进黑洞中。这是大多数物质无法逃脱的点,这意味着你现在注定要进入黑洞了。如果你对这整个掉入黑洞的主意突然有新的想法,你应该在开始阅读这一节之前就想到它们。


当你离黑洞这么近的时候,你注意到的第二件事,就是周围的空间会发生巨大的扭曲。你现在处在一个引力非常强大的点,引力甚至以非常明显的方式扭曲了光线移动的方式。光线像在透镜内部移动一样:黑洞周围的空间非常弯曲,光线不再像直线一样运动。



现在,我们来研究在深入黑洞的过程中,你将遇到的一些有趣事情。

 

黑洞的影子[5]


在大约2.5 倍黑洞半径距离的地方,你将进入被称为黑洞“阴影”的区域。这是任何观察黑洞的人都会看到的真实黑圈。


黑洞投射的阴影比它们自身更大,因为黑洞不仅捕获事件视界内的光子,还会使在附近飞行的光子拐弯。在黑洞周围一定距离内,任何朝向你的光线都会落入引力势井(gravitational well),并最终进入黑洞内部,这意味着你不会看到这些光子。



当你朝黑洞移动时,这个阴影看起来更大。你再走近,黑洞会捕捉到更多本来应该传到你眼中的光线,这意味着黑洞将开始占据几乎整个视野。


顺便说一句,这就是你想让朋友给你拍照的地方,因为他们会看到你被纯黑包围的图像:你看起来就像是在黑洞里,但其实你还有很长的路要走。

 

无限光环[6]


在大约1.5 倍黑洞半径距离的地方,你将到达另一个有趣的重要节点:在这个地方,光线将围绕黑洞进行完美的圆周运动。就像行星和卫星可以围绕质量更大的天体运动一样,光也可以围绕黑洞运行,不同寻常之处在于,光没有质量!这意味着,它的旋转完全由于空间的弯曲。轨道上的光子可能永远围绕黑洞旋转,但任何偏离都会导致它要么螺旋掉入黑洞,要么螺旋向外飞入太空。


在通往黑洞的路上,穿过此处会发生一件很有趣的事:因为光进行完美的圆周运动,所以你沿垂直于黑洞的任何方向看,都能看到自己的后脑勺。如果你曾经想知道自己的背影看起来是什么样子,就抓住这个机会。



像贝克汉姆一样踢弧线球[7]


在小于1.5倍黑洞半径距离的地方,你已经抵达了连光都无法安全运行的点。你逃脱的机会正在减少,所有的迹象都指向你将进入黑洞,名副其实。


现在,你会感到黑洞的阴影包围着你,正在关闭你的宇宙视野。如果往后看,你会看到宇宙的图景不断变小。


这种宇宙视角的奇怪之处在于,它将包含整个宇宙,甚至黑洞背后的东西。在这个地方,空间过于弯曲,以至于来自宇宙四面八方的光线绕着你多次旋转,最后抵达你头部两侧和后脑勺。在这整个异乎寻常的、鱼眼式的宇宙图景中,你甚至会看到宇宙的多个副本在你视野边缘重复出现。


你越靠近黑洞的中心,这扇看往宇宙的窗口就变得越小,黑洞的景象将占据你视线所及的任何地方。

然后……你将跨过事件视界。



你的朋友会看到什么


此刻,有趣的是想想你的朋友会如何看待这一切。你知道的,尤其是那些认为跳进黑洞很疯狂,于是留下来没有出发的朋友。我们确信他们非常支持你,但是当你光荣一跳,进入这个未知区域时,他们看到了什么呢?


其实,他们从未看到此事发生。不是因为你的举动被黑洞的黑暗遮蔽,而是因为对他们来说,事情根本就没有发生过。


记住,引力不仅扭曲空间,还会扭曲时间。黑洞的引力极其强大,以一种非常极端的方式扭曲了时间。


很多人都知道,在速度非常快时,时间会变慢。例如,你登上一艘宇宙飞船,以接近光速的速度离开再回来,对你来说时间会变得更慢,你认识的每个人都会比你变老更多。不过,对时间产生影响的不仅有速度,靠近一个大质量的物体(如黑洞)也会产生这种影响。黑洞弯曲了空间,同时让时间变慢。


当你靠近黑洞附近,你的朋友会发现时间在你身上变慢了。对他们来说,你看起来像是在以极——其——慢的速度运动。他们会看到你离黑洞越来越近,但你的速度越来越慢。



你离黑洞越近,你的时间就走得越慢。在某一时刻,你的时间会慢到一定程度,使你在朋友们眼中看起来像是被冻结了。我们确信他们是很好的朋友,但他们最终可能会放弃你,然后度过自己的余生。他们有的最后一张你的照片将是模糊的红色,因为引力也会拉伸光子的波长,将其延展到红外波段。


事实上,对宇宙的其他部分而言,你掉入黑洞的时间不会很长。严格来讲,掉入黑洞永远不会发生。对于外部观察者而言,你的时间将会冻结,你的图像将扩散在黑洞表面,并被永远刻在那里。观察者需要无限长的时间看到你完全进入黑洞。恒星系统和星系会形成和消亡。几万亿年过去了,他们永远看不到你越过边界。


因此可以知道,如果你希望通过一个引人注目的举动给你的朋友留下深刻印象,跳进黑洞并不是明智的选择。



进入黑洞


当然,这只是你的朋友们看到的。对你来说,这仍然是一场疯狂的过山车之旅。


记住,时间对你来说仍然是正常的,所以从你的角度来看,进入黑洞的旅程还会以正常速度发生。你将进入黑洞。只是对外面的宇宙来说,它似乎从未发生过。


那么,当你最终跨过事件视界时会发生什么呢?物理学家认为,不会发生太多事情。


当你跨过最后的门槛时,你看到的外部宇宙会缩成一个越来越小的点,而你周围的一切都会完全变为黑暗。你能看到的唯一光源就是你身后的那个点,一个包含了整个宇宙的微小画面。所以这就是事实。本来根据理论,事件视界上没有任何东西,这里没有围墙、栅栏、力场或五彩纸屑,也不是配备银河系保安人员的大门。这里只是太空中你无法返回的地方。


你知道的,黑洞里面的空间弯曲得太厉害了,这使你没有出去的路。不管你走得多快,时空都是单向的。在黑洞之外,只有时间是单向的(向前)。但在事件视界之内,空间也是单向的(向内)黑洞内部的每一条轨迹都指向更深的地方。


对你来说,这种变化是渐进的,并不是突然的。随着你越来越接近事件视界,你可能选择的路径也开始扭曲。能够离开黑洞的路径越来越少。事件视界就是将所有可能的路径指向内部的地方。



有一件事是明确的:你现在肯定被困住了。此时此刻,逃脱比什么都不做更糟糕。如果你挣扎并试图逃跑,你只会更快地掉向黑洞中心。


里面有什么?


那么,现在你已经在黑洞里面了,它是什么样子的呢?


其实没有人知道。事实上,我们可能永远不会知道了。


我们甚至不知道是否有可能在黑洞内思考。我们的身体需要血液、信息和离子向各个方向流动。如果你的神经细胞和血液只能流向黑洞的中心,你还能活着吗?更不用说意识了。


然而,更根本的是,我们并不知道事件视界之内的空间和时间是什么样子。我们知道可能发生什么。到目前为止,广义相对论正确解释了黑洞以外发生的一切(甚至预测了黑洞的存在);但我们也知道,广义相对论并不是对宇宙运行方式最真实的描述。例如,我们知道广义相对论在最小的层次上[8]就失效了,此时量子力学不能被忽视。那么,广义相对论有没有可能在黑洞内部也失效呢?非常肯定,但我们不确定它会错到什么程度,或者它是否只在黑洞中心出错。


如果广义相对论在黑洞内部还是基本正确,那么接下来发生的事情就不那么令人兴奋了。根据广义相对论,引力只会继续变得更强,你会越来越快地向黑洞中心移动。事实上,对于像银河系中心黑洞[9]这样的黑洞:你大约会在20秒内掉到黑洞中心。当然,你永远也到不了中心,因为在某一时刻,你注定会抵达“意大利面条化”的点(还记得吗?),然后会被撕成碎片。


但是,如果广义相对论对事件视界内发生的事情的解释不正确,那么我们就可以自由推测可能发生的事情。当你进去的时候,可能会有一大堆有趣的东西等着你:


  • 另一个宇宙。一些物理学家认为(甚至说很有可能)黑洞内部存在一个完全不同的宇宙。当你进入黑洞时,你会在一个新的婴儿宇宙的开端突然出现。


  • 一个虫洞。另一种理论是,黑洞的内部可以连接到虫洞(一种时空隧道),把你带到宇宙的另外一个地方(包括时间)。另一端是什么?据科学家们推测,在黑洞的另一边,你可能会被黑洞对立面(白洞)吐出来。如果说黑洞是一个可以进入但永远不能逃脱的地方,那么白洞在理论上就是一个可以逃脱但永远不能进入的地方。把白洞想象成一个空间区域,空间以某一种方式弯曲,所有方向都指向你走出白洞。当然,你可能会想,从白洞出来的东西是从哪里来的?它们从黑洞穿过虫洞而来!



无论是哪种情况,这都将是你旅程的终点,至少从我们宇宙的角度来看就是这样。一旦进入黑洞,你就不太可能出来了。无论你是惨死,还是发现量子力学和广义相对论的秘密,或是发现一个全新的宇宙,都只有你才会知道这个令人难以置信的秘密。


唯一的问题是,你没法把这个秘密告诉任何人。


1 译者注:“Who said I suck?”也可翻译为“谁说我很烂?”。
1 译者注:“Who said I suck?”也可翻译为“谁说我很烂?”。


[巴拿马] 豪尔赫·陈、 [美]丹尼尔·怀特森 著
[巴拿马] 豪尔赫·陈、 [美]丹尼尔·怀特森 著

翻译:邓舒夏、尔欣中、苟利军

上市时间:2022-9

出版社:海峡书局


[1] 译者注:视界面所包围的区域。

[2] 事实上,黑洞并不完全是黑色的。它们发出一种被称为“霍金辐射”(以斯蒂芬·霍金命名)的微弱辐射,这种辐射非常弱,你的眼睛感受不到它。

[3] 我们说“或多或少”是因为对于旋转的黑洞来说有点不同,还因为黑色部分实际上比事件视界稍大一些,我们稍后将会看到。

[4] 如果你在空中跳起,或者在自由落体,这一点才更适用。当你站在地上的时候,你的脚哪儿也去不了,所以重力实际上是想把你压扁。

[5] 也是“你一直想写的科幻小说的完美书名”。

[6] 也是“你一直想要发起的新世纪时尚的完美名称”。

[7] 也称为……实际上,已经有人拍了这部电影(影片名字是Bend It Like Beckham)。

[8] 译者注:即奇点尺度上。

[9] 译者注:银河系中心黑洞的质量大约是太阳质量的400 万倍。


本文摘编自《人类知道的太多了》,作者:[巴拿马] 豪尔赫·陈、 [美]丹尼尔·怀特森,翻译:邓舒夏、尔欣中、苟利军