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它是全宇宙最神秘的存在。

继续宇宙话题

宇宙的结局有多可怕?

今天来领略宇宙中的神秘存在

——黑洞

本文转载自微信公众号“远读重洋”(ID:readabroad)

霍金说“黑洞”这个词,法国人一开始是不喜欢的,因为太污了。

法语里的“黑洞” 叫 trou noir ,在一些当地土话里面是骂人用的,类似我们中国人字幕里的“×”。

后来有人提出了关于黑洞的定理,起名叫“无毛定理”(No Hair Theorem),霍金证明了它。于是“黑洞无毛”的结论就变得更有名了。霍金说:这进一步加重了法国人的疑虑。

好了,大科学家开车到此结束,今天我们就来聊聊霍金眼中“无毛”的黑洞,4 分钟带你扫清关于黑洞的所有困惑。这些内容主要来自霍金 10 月份的新书《终极问答》(Brief Answers to the Big Questions)。这是霍金最新出版的一部遗作,在这本书里,霍金回答了他最为关心的 10 个终极问题,其中最浓墨重彩的问题,自然是跟他研究了大半辈子的黑洞有关。

我把这部分内容,整理成了普通人可以理解的 8 个“黑洞大问题” :

1、有人发现黑洞了吗?

2、黑洞是黑的吗?

3、黑洞是怎么生出来的?

4、谁来直播一下,人掉进黑洞的过程?

5、黑洞“光吃不拉”吗?

6、黑洞永生不死吗?

7、黑洞会“焚书坑儒”吗?

8、霍金为什么要花大半辈子研究黑洞

明白了这些问题,哪怕是作为一个不研究黑洞的人,你都已经成了半个“黑洞行家”。

01.

有人发现黑洞了吗?

是的,而且还不止一个。

比方说就在 10 月底,科学家宣布在银河系的中心确认了一个巨大的黑洞,叫人马座 A*,它的质量相当于 4 000 000 个太阳。

科学家还发现,有东西正绕着这个黑洞旋转,因为离得稍微远一些,所以没有掉下去,旋转的速度达到了光速的 30%,也就是每秒钟 9 到 10 万公里,相当于 1 秒钟就能绕地球赤道 2 圈多。

02.

黑洞是黑的吗?

不是。黑的东西我们能看见,黑洞我们看不见。

看得见东西是因为东西能反射出光线,看不见黑洞是因为它反射不出来光线,它是“光の吞噬者”。

为什么《星际穿越》之类的科幻电影能做出酷炫的黑洞来?

他们模拟的是黑洞的一种视觉效果,叫 “引力透镜” 效应。

如果黑洞背后一个老远的地方飘过来一颗发光的星球,那你站在黑洞面前,能看到星球发出来的光在黑洞四周发生了扭曲,就好像光线穿过了一个透镜的边缘。

所以说,虽然黑洞我们看不见,但是我们能看到它产生的一些效果,能够间接观测到它。

比方说 2016 年刷屏的 “引力波” ,那就是两个黑洞合并成一个大黑洞的时候,观测出来的现象。

03.

黑洞是怎么生出来的?

恒星死了,黑洞生。

如果说像太阳这样的大质量恒星,可以说是 “宇宙之子” ,那黑洞就是“宇宙之子”们去世以后的一种样子。

霍金认为,如果一颗恒星,质量是太阳的 30 倍以上,那它就会变成黑洞。

因为这时候,一颗特别大的恒星,它的所有粒子之间,万有引力的作用超过了一切,拼命地把大家往一块儿聚,越聚越密,越密越聚,恒星就变成了“压缩饼干”,这个过程的学名叫“坍缩”,坍塌着往里缩。

所以说,个儿小分量足,这就是黑洞的特点。你可以说它是个“小胖墩儿”。

这个小胖墩儿长什么样子?在很多科普书里面,黑洞都给描绘成了“漏斗”的形状,其实是不对的,之所以描绘成漏斗,是为了方便你理解一个东西,就是 “漏斗” 上的那个“大盘子”,它的学名叫“事件视界”。

这盘子是怎么来的?打个比方,黑洞就像个封建社会的大家庭,任何家庭成员都不能往外跑,只能待在家里。

而家里最不老实的小儿子,成天惦记着往外跑,可是每次刚跑到村口儿就让家里人给抓回去了。

村口儿到家的距离是二里地。那么从家出发,用这二里地的距离画一个圆,就是整个家族的势力范围。

黑洞“漏斗”上那个“圆盘”,就是半径二里地画出来的圆。而小儿子就是腿最快的家伙——光。

黑洞在事件视界的范围内,刚好能把光给抓回来,所以其他东西就更跑不了了。

所以说画成漏斗的形状,是为了帮你更好地理解事件视界这个东西,但真实的黑洞不是漏斗形的,它到底长什么样呢?

《星际穿越》的科学顾问、也是霍金的好朋友、诺贝尔物理学奖得主基普·索恩(Kip Thorne)给描绘了一下,大概长这个样子:

至于你觉得他设计的对不对、好不好看,这事儿就见仁见智了。

04.

谁来给直播一下,人掉进黑洞的过程?

很多人都很好奇,黑洞里面有什么?霍金说,你从外面瞅是啥也瞅不出来的。

所以这是个很尴尬的问题,没有人能回答。因为能回答这个问题的人,应该已经掉进去了;而一个说话还能让你听见的人,他就压根儿没进去过。

那掉进黑洞里瞅瞅,是一种什么滋味儿呢?霍金说:如果你这辈子注定要去黑洞里头走一遭的话,记得对自己好一点,选一个大点儿的。因为掉进小的里面会比较惨。

如果咱们直播一下人掉进黑洞里的过程,那就很像在大瀑布的顶儿上划一只小船,眼看就要掉下去了。大瀑布的顶儿上,就是咱们刚才说的“事件视界”外边,在这儿发生的事件人们是可以看到的。掉下瀑布、掉进事件视界以后,外面的人就看不到了。

我们知道,越靠近瀑布的水流就越湍急,越靠近黑洞中心,引力就越大,所以如果你是脚在前,头在后的话,那肯定会先拉你的脚下去,结果就是你被一点点儿地做成了海底捞甩面,整个身体越扯越长,变成了一根铅笔,一根丝线,越变越黯淡……最后消失在人们的视线当中。

是不是人掉进每个黑洞里都会这么惨呢?也不是,霍金说了,找个大的,就去咱刚才说的那个银河系中间儿的大黑洞,400 万个太阳的质量。那么大的黑洞,你的小身板儿一米几长都不算啥,大黑洞用在你头上和脚上的引力都差不多,所以你会好受一点儿,不会被扯得这么厉害。

05.

黑洞“光吃不拉”吗?

我承认这是一个粗鲁的问题,但是话糙理不糙。

因为很多人觉得黑洞进去的东西就出不来了。

这种错误的观点,也是霍金给我们掰回来的,他证明了:黑洞不是“光吃不拉”,而是“边吃边吐”。吃进去的是“馒头”,吐出来的是“面粉”,这“面粉”还有个名字,就叫“霍金辐射”(Hawking radiation),因为是霍金发现的。

在黑洞周围的空间里,有一对儿一对儿的粒子出现,这些粒子不是咱们生活里实打实的原子、分子,人们用各种先进的仪器观察,也看不见它们,所以叫它们“虚粒子”,你可以说空间里有一对儿“虚粒子 CP ”,就像一对儿黑白双煞,俩人要么同生,要么共死——撞到一块儿灰飞烟灭了(下图中的 1)。

但是因为它们靠近了黑洞,这时候,这对虚粒子 CP 当中,有一个人可能就会先掉进黑洞里,而另一个人就“耍单儿”了,没人跟她“共死”了。这时候,耍单儿的这个,有可能跟另一半共赴黄泉,也掉进黑洞里(下图中的 2),但是它也有可能就逃了出去,逃到离黑洞远远的地方(下图中的 3)。

有人可能会问了:既然这一对儿 CP 都是虚的、看不见的,那为什么耍单儿的一个逃出来的时候,人类就可以“看”到它们、检测到它们呢?这事儿就有点儿复杂了,我说一说你听听看,听着懵也没关系,不影响你对黑洞的理解:

这个虚粒子它逃出来的过程并不简单,也是九死一生,在黑洞强大的引力之下,这个虚粒子会被提升,变成实打实的粒子。也就是黑洞变了个“魔术”,变出来一个实粒子。

一对儿虚粒子本来质量加起来是零:m1 + m2 = 0

但是一个实的粒子有正的质量:m1>0

而质量不会凭空产生,

所以掉进黑洞的那个虚粒子就得是负的质量:m2<0

它的质量给了黑洞,黑洞的质量(M)就会变小:M + m2 <M

也就是说,你站在黑洞旁边儿看黑洞,它仿佛是“吐出来”一个实粒子,然后黑洞的质量还变小了。

霍金发现,黑洞 “吐” 粒子的速度是很稳定的,就像水龙头出水一样。而所有吐出来的实粒子,就构成了著名的 “霍金辐射”——黑洞并不是有进无出,而仿佛是在边吃边吐,它吐出来的实粒子,变成了威力强大的 X 射线和伽马(γ)射线。

霍金说,像一座山这么大个儿的黑洞,喷出来的射线,功率能达到 1000 万兆瓦,这要是能用来发电的话,足够整个地球用电的了。

06.

黑洞永生不死吗?

知道了黑洞的“呕吐”机制,你应该有个不祥的预感了,黑洞这么 cool 的东西想要永生不死,也不过是痴人说梦罢了。

无数的虚粒子对儿一个掉进黑洞、一个逃离黑洞,会导致黑洞的质量变小,黑洞就像蒸发了一样,个头儿也会变得更小。

而且霍金说了,越小的黑洞,蒸发的速度就越快。

黑洞最终的结局是 —— 彻底蒸发干净,消失在宇宙当中。

这让我想起花儿乐队的洗脑神曲《嘻唰唰》里有两句歌词:

拿了我的给我送回来
吃了我的给我吐出来

可黑洞最坑爹的地方在于,即便它死了,拿了你的也不会送回来,吃了你的也不会吐出来。从黑洞里逃出来的粒子们,跟扔进去的东西一比,看上去半毛钱关系也没有。

喂他吃电脑,给你吐射线;
喂他吃汉堡,给你吐射线;
喂他吃地球,给你吐射线;
喂他吃粑粑,还是给你吐射线……

如果你有什么不可告人的秘密,最可靠的不是 “树洞” APP ,而是黑洞。

07.

黑洞真的会“焚书坑儒”吗?

霍金的最后一篇论文说了什么?

可能在一些人眼里,黑洞就像“冬天里的一把火”,燃烧了整个“沙漠”,是一片“不毛之地”。

过去科学家也这么看,所有的黑洞没什么区别,就像所有的沙漠没什么区别。他们给黑洞起了个形象的称号,说它“无毛”(no hair)。

一个黑洞,不管它吃进去的是人,是动物,是电脑,是汉堡包,还是一颗星球,它表现出来的样子好像都是一样的,只有三点不一样,质量、角动量,还有电荷。这样一瞅,黑洞倒像是一个穿着毛衣跳舞的姑娘。

质量(M),大的小的?—— 姑娘是胖还是瘦?


角动量(a),黑洞是静止的,还是旋转的?—— 姑娘有没有跳起来?

电荷(Q),黑洞带不带电?—— 姑娘的毛衣起不起静电

一个黑洞和另一个黑洞,只有这 3 点区别。

至于姑娘肚子里装了啥,是装了顿晚饭,还是揣着个娃,不重要,你也看不见。

过去科学家一直相信这个 “无毛定理” ,一个黑洞只由这 3 个东西决定。

但是问题就来了,因为黑洞把东西吞进去以后,关于这些东西的信息就凭空消失了。

这不科学,非常的不科学。

科学家相信,信息(information)是不会凭空丢失的。

信息真的丢了吗?霍金一开始也这么觉得,好吧,应该是真丢了。 

直到他后来一折腾,自己把自己给推翻了,他说:黑洞不是“无毛”的,黑洞——就像一个已经谢了顶,但还没有光头的男人——他是有 “软毛”(soft hair)的,这些软毛的存在,证明黑洞没有丢失信息,信息还是守恒的。

黑洞的软毛,很有可能就是黑洞的第 4 个重要特征 —— 一个穿着毛衣跳舞的姑娘,请不要忽视她的一头 “秀发” 。

霍金生命最后的岁月里,就在研究黑洞的“秀发”,他的最后一篇论文也跟这个有关系,但是他的突然去世,导致他所开辟的这条道路,只能交给其他人在未来完成了。

弄懂了这个 “软毛” ,你就知道了关于黑洞的终极秘密。

从 2016 年开始,霍金就提出来“软毛”这个说法,所谓的“软毛”是一些粒子。

每当有一个带电的粒子掉进黑洞里面,就会给黑洞增加一根软毛,它可以是一个“柔软的光子”(a soft photon),跑到离黑洞很遥远的地方,跑到“大圆盘子”——事件视界的外头。

打个不一定恰当的比方,你可以把软毛看成是掉进黑洞的东西,在黑洞外头留下来的一点蛛丝马迹,一个抛向远方的“二维码”。

如果霍金的理论没有问题,如果“软毛”储存信息的方式让我们给破译了,那么“扫描二维码”,应该就可以知道“掉进黑洞的粑粑长什么样子”。

过去很多人觉得黑洞丢掉的信息,很可能都通过这种方式保存了下来。

霍金去世以后,在他最新发表的论文里,霍金找到了一种新的方法,可以计算黑洞的软毛里,到底储存了多大的信息量。

而不同的黑洞,都可以拥有不同数量的“软毛”。所以霍金说,黑洞不止 3 个特点:质量、电荷、角动量。很可能还有第 4 个特点,也就是这些软毛。霍金还给它们起了个学名,叫“超平移电荷”(supertranslation charge),感兴趣的话你可以查查看。

这个软毛理论最了不起的地方就在于,它把我们研究黑洞的视野,给极大地拓宽了。我们过去一直惦记着:想探进去看看黑洞里头是什么,却忽略了,黑洞储存的信息不一定都在里头,而很有可能是有一部分留在了外头。

在这个意义上,黑洞倒不像一个漩涡,而更像一棵蒲公英,开枝散叶,遍地生根。如果将来有人能够证明,霍金的软毛理论是正确的,那么黑洞信息丢失的问题可能就解决了。

不过最后我还得提醒你一点,霍金自己也说,他只是把解决这个问题的方向给指出来了,他做了一些基础性的工作,但是黑洞信息丢失的问题到目前为止还没有彻底解决,人类正在向最终的答案不断迈进。

如果你能理解刚才说的这部分内容,相信我,全宇宙关于黑洞最前沿的知识,你都已经 get 到了。

08.

霍金为什么要花大半辈子研究黑洞?

到这里,如果你只是来看黑洞科普文的,那关于黑洞本身的知识我都已经介绍完了。接下来的一点内容,我想跟你聊聊研究黑洞的意义。

一个黑洞,看不见、摸不着、离我们八丈远、想找一个都费劲,研究它有什么用?

为什么霍金把大半辈子的智慧,都给了这看起来很不靠谱的东西?

我们普通人,理解黑洞是怎么回事,跟我的个人生活有关系吗?

在这儿,我想说:没错,黑洞一点也不靠谱,到现在也没弄清楚,而且未来可能相当一段时间,都不会完全弄清楚,知道黑洞的知识,也不能给你的朋友聚会提供什么谈资,更不能让你的老板赏识你。

可是它依然值得研究。

因为我们是人类。

因为黑洞太特殊了,它有可能揭示出宇宙的终极秘密。

在整个 20 世纪,有了爱因斯坦的相对论,有了量子力学以后,很多科学家都在追求一件事:找到一套“万有理论”(Theory of Everything,简称ToE)。

什么是“万有理论”?电影里的霍金亲自给出了答案:

One
Single
Equation.


对于科学家来说,没有什么比这个更诱人的了。


所以经过无数科学家的努力,有两套理论,可以看成是万有理论的基础:

广义相对论,和量子场论。

它俩加在一起,几乎就要实现霍金的梦想了。

但可惜的是,这两套理论水火不容。

广义相对论在这里适用,在那里就不适用;
量子场论在这里不行,却在那里行。

换句话说,它俩不可能是同时正确的。

比方说
在尺寸特别小的地方,
在质量特别大的地方,
这种剧烈的矛盾冲突就很明显。

就像宇宙大爆炸开始的那一刻,
就像在黑洞里。

宇宙大爆炸那一刻已经过去了,而黑洞还在。

所以黑洞,是万有理论最好的试验场之一。

如果一套理论,放在大尺度的地方没问题,放在黑洞里还能不出问题,那它有可能就是我们要找的万有理论。

这也就是为什么关于霍金的电影,不叫《霍金传》,不叫《科学家的故事》,而叫《万物理论》(The Theory of Everything)。

电影,就像我们未实现的梦。
万有理论,就是霍金一生都没有做完的梦。

现在,他要到天上去做了。

有人会问:我们人类,真的能找到一个万有理论吗?用一个公式,解释整个宇宙?

有人会说:这是不可能的,是痴人说梦,是理工男统治世界的妄想。

而我想说:如果你连想都不敢想,你怎么可能找到它呢?

这个社会上有很多现实的人,他们总是告诉我们:什么事情是不可能的。他们安于现状。

如果说这些人跟霍金的差距在什么地方,我觉得是两个字:视域(Vision)。

视域,不是去过多少国家、开了多少眼界、拓宽多少视野;

视域(Vision),是人把现实世界 筹划到想象世界的能力。

我们看到这世上每一个了不起的人,霍金、乔布斯、马云……他们为什么了不起?

因为他们看到了我们没看到的,想到了我们没想到的,做到了我们没做到的。他们的视域和我们的不一样。

你说霍金搞宇宙学有用吗?没用,一点用也没有。霍金当年写一本《时间简史》,是因为当宇宙学老师挣得少,想拿这本书的稿费贴补贴补家里,因为妻子一个人照顾这个家,实在是太辛苦了。

可你说宇宙学就真的没有用吗?如果说人类视域的极限在哪里,那除了浩瀚的宇宙星空,你还能给出第二个答案吗?

燕雀,安知鸿鹄之志哉?

燕雀,安知鸿鹄之智哉?

不要让有限的智识限制了你的想象力,

因为宇宙的尽头在哪里,你的 Vision 就在哪里。

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