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奇点是什么样的?宇宙中已知最神秘的地方,物理学已给出答
阿尔伯特-爱因斯坦在他的一生中多次否认黑洞的存在。他甚至在1939年发表的一篇论文来否定黑洞,但他的论点是错误的。它们是真实存在的,而且我们现在已经探测到了几个。
当一颗恒星坍缩时,就会形成一个黑洞。它的质量是如此之大,以至于连光都无法逃离它。黑洞外层被称为事件视界,它将黑洞的内部完全掩盖起来。如果你掉进了黑洞,你将永远逃不出来,尽管构成你的量子粒子的信息有一天可能会出现(可能要亿万年)。
黑洞会把掉进它的任何东西撕碎。当某物落入其中时,它的一部分总是比其他部分离黑洞稍远。这两部分之间的引力差会随着它的靠近(黑洞)而增加。在某些时候,这种差异实际上是无限的。
  • 2005年,一颗矮星被一个黑洞吃掉了。
最简单的黑洞类型被称为史瓦西黑洞。这是一个不旋转也不带电的黑洞,但是,由于黑洞一般是由正在旋转的恒星形成的,所以它们很可能会旋转,这使得它们成为克尔型黑洞。
从物理学的角度来看,黑洞很有趣,因为它们会产生强烈的引力场,这使得它们成为研究引力的完美物体。我们现在已经探测到了一些黑洞,而且我们还利用引力波探测器探测到了我们认为是黑洞合并的情况。
经过黑洞附近的光线会明显弯曲,以至于它可以将光线直接弯曲到自身周围。爱因斯坦在1916年预言了这种光的弯曲,而且它实际上已经被探测到了。这就产生了一个奇怪的效果,即理论上你可以看到黑洞事件视界附近的星星,但从你的角度看,它们并不在黑洞后面,而是在黑洞前面。
  • 图片来源:欧空局
然而,你看到的大部分光线来自于落入黑洞的物质。引力也将物质扯碎,并将其压扁,所以它看起来就像一种被称为吸积盘的光晕。
  • 吸积盘
你在动画中看到的都是由引力对光的扭曲造成的。实际的盘子就像土星的环。下面是你真正看到的情况的示意图。
  • 吸积盘的一部分/图片来源:NASA/GODDARD
如果地球变成了一个黑洞,其事件视界的半径大约为1厘米。然而,在距离中心6400公里左右的地方,你受到与站在地球表面一样的重力。
理论上,你可以在一个地球质量的黑洞周围构建一个薄壳,并且薄壳上的引力与真实的地球完全相同(由于密度的变化,有一些差异)。这引起了埃隆·马斯克(Elon Musk)的兴趣,让他投资一项技术,以获得那样的中央黑洞。
然而,与下图中包含大量陆地不同的是,物体往往会从空心地球的底部落入中心黑洞,这意味着地壳必须由一些非常强大的物质构成。
  • 空心地球的内部。威廉-布拉德肖,《阿特瓦塔巴尔的女神》(1892)。
任何东西都无法逃离黑洞,其原因与黑洞的引力无关。尽管较小恒星大小的黑洞在它们的视界上确实有很强的引力,但特大质量黑洞的引力相对较弱。你可能会认为只要轻轻一拉,你就能逃脱,但事实并非如此简单。
当一个黑洞变得越来越大时,从外部观察者的角度来看,它最终不再有太大的拉力。不是强大的引力是原因,而是因果关系的本质使事件视界完全弯曲。任何越过黑洞事件视界的东西都只是将其未来的因果结构弯曲到了黑洞中,这样它就不能再影响事件视界外的任何东西。
任何试图用绳子把人拉出黑洞的尝试都是注定要失败的。即使它能克服黑洞引力,它也无法改变掉入黑洞的物质的光锥。作为一个外部观察者,你只会看到时间在你的绳子接近黑洞时变慢。当它的一部分越过黑洞时,你将不再看到它在那一点上的存在,它似乎是冻结在时间里的,并且发生了无限的红移。如果你试图拉紧它,绳子会因黑洞这边的潮汐力而断裂。
如果你不幸地落入黑洞,你将走向“奇点”,它将像一个黑暗的行星出现在你面前。你将看不到它或里面的任何物质。事实上,你不可能看到任何比你更接近奇点的物质。
原因是,当你落入时,你的未来光锥,也就是你在未来能影响的空间区域,向奇点弯曲。与此同时,你过去的光锥,也就是所有能影响你的东西,则向事件穹界弯曲。这意味着,任何比你更接近事件穹界的东西都在你的过去,而任何比你更接近奇点的东西都在你的未来。
你可以把这想成是你在正北的平坦平原上行走。北方是你的未来,南方是你的过去。你遇到了一个坡度逐渐变陡的坑。当你往下走时,你不再是往北走,而是往北往下走。现在你滑倒并开始下降,坑越来越陡峭。最后,你的方向大部分是向下,几乎没有向北。你来时的路大部分是向上的,而不是向南的。这也是坠入黑洞的感觉。它真的就像空间中的一个洞。
奇点不像是一个点,而更像是时间上的一堵墙。它不仅成为你的未来,一旦你 "撞上 "它,你就不再有未来,几乎就像你回到过去。
然而,关于奇点到底发生了什么,很多都是猜测,因为它源于一种理论,即爱因斯坦的广义相对论,该理论根本没有考虑到量子理论。
当谈论物体在奇点之外的表现时,这并不是一个复杂的问题,因为那里除了引力本身之外什么都没有,但是,如果你想知道在奇点中发生了什么,广义相对论无法给你答案。从理论上讲,奇点具有无限的密度,时空结构就在那里 "断裂"。
根据广义相对论,普通的恒星和行星也有奇点。但这些只是简化,因为我们并不关心它们的内部。旋转的黑洞有环状奇点。理论上,一个物体可以穿过环状奇点,然后出现在另一个地方,因为环形奇点可以像一个虫洞一样。虫洞可以是可逆的,也可以是不可逆的,需要某种奇特的负质量物质来保持打开状态。它们也与黑洞密切相关,黑洞是创造虫洞的主要推手。
为了能够穿越,环形空间必须是一个 "裸露的奇点",这意味着它周围不能有事件视界。否则旅行者将无法出来。这使得坍缩恒星不适合进行时空旅行。然而,在量子领域,虫洞有可能自发形成,这可能是量子信息逃离黑洞的一种可能手段,因为它们可以跨越事件视界形成。如果是这样,这意味着虽然物质的未来将在奇点结束,但它的信息可以继续存在。信息可能要花上万亿年的时间才能真正出现,黑洞也会坍塌和消散,但这最终会发生,这证明了即使是黑洞也不能在它们消失时带走信息。
人类是否能利用虫洞进行时间旅行或比光速更快的旅行。答案可能是否定的,但仍有待讨论。
点状奇点和环状奇点充其量都是模型,使人们更容易讨论它们周围发生的事情,方程也更容易,因为你不必处理奇点本身的外部和内部之间的边界条件,因为它们不存在。
现实情况是,量子效应几乎保证了不存在奇点这种东西,而我们认为的奇点是非常小但仍然延展的物体。
宇宙中没有任何已知的力可以阻止物质坍缩成黑洞(一旦开始坍缩)。恒星利用电磁力来避免自身坍缩。但随着它们的冷却,它们将会逐渐塌缩。一颗足够大的恒星可以坍缩成中子星,这是宇宙中密度最大的物体之一。中子星使用一种叫做泡利不相容原理的量子现象来维持自身。这意味着组成它们的中子不可能同时出现在同一个地方。因此,它们互相回避,这就产生了一种排斥力。
如果质量足够大,就可以克服这一原理,理论上所有的物质都可以同时出现在同一个地方。黑洞可能是由可以全部存在于同一个地方的物质组成的,称为玻色子。没有不相容原理或电磁力,就没有另一种排斥力来抵挡引力,防止坍缩。因此,理论上,所有物质都可以坍缩成一个点。
然而,当物质塌缩在一起时,力就不再像它们在普通情况下那样表现。例如,我们知道在非常小的尺度上,宇宙的常数会发生变化。有充分的理由认为,物质对自身的引力在较小的尺度上实际上会变弱。同时,自我引力的相互作用(引力对自身的推力或拉力)变得更强。这意味着引力的行为更像黑洞内漩涡的湍流。这被称为 "反作用",是黑洞研究的一个活跃话题。
一个类似的现象发生在流体中。当有一个旋转的流体漩涡时,在远离漩涡的地方,粘度的影响可以忽略不计,但当靠近它时,粘度就起了主要作用。当然,粘度是由流体与自身相互作用造成的。在一个湍流漩涡内,不能忽视粘性。如果我们不关心漩涡内部发生了什么,但需要了解它与周围环境的相互作用,就假装漩涡是一个一维的丝状物,并在数学上将粘度的作用纳入丝状物本身的行为,就像奇点一样。
事实上,由于这个原因,水旋涡已被用来模拟黑洞。
同样,黑洞奇点的内部结构也与外界大不相同,因为引力从外部表现平稳到内部极度湍流。你不能再忽视引力与自身的小尺度相互作用,这些相互作用远远强于它与物质的相互作用。
不幸的是,对含有非零大小的 "核心 "而不是奇点的黑洞的分析表明,它们在爱因斯坦的相对论中是不稳定的,也就是说,如果没有缓和因素,它们不可能长期存在。这些缓和因素从根本上说必须是量子的,不能仅归结为爱因斯坦理论中的经典反作用行为,因为这些效应太小了。量子效应很可能会放大反作用,并创造出在经典物理学中不稳定的稳定区域。
很少有科学家相信黑洞奇点是真实存在的,但到目前为止,我们还没有找到对非奇点黑洞的连贯描述。数学上,我太熟悉奇点了,它是一种计算上的便利,所以我不相信它们是物理现象。我们只能希望通过找到最小尺度的引力的连贯描述,即引力的量子理论,来了解黑洞核心的内部是什么样的。
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