5个关于黑洞的新奇问题
01
有一天，爱德华先生在课堂上说，根据帕克博士的计算，当两个奇点足够接近时，你就能从黑洞中安全通过。
这可能吗?
你的问题与虫洞有关：有没有可能存在一种时空，在这种时空中，你不仅可以穿过黑洞的“喉咙”，而且还能保证安全？
虫洞，或者说穿越时空的“捷径”，最初被认为是爱因斯坦广义相对论的一些方程的解。不幸的是，第一个答案：如果你试图通过一个黑洞，它会立即把你压碎(也就是说，你的存在会阻止虫洞方案的展开)。
上世纪80年代中期，由于卡尔·萨根写了一部小说(《联系》，也许你看过这部电影？)，其中剧情需要一个可以供人安全旅行的虫洞，人们对于可以供人旅行的虫洞的兴趣被重新点燃。考虑到自己是位著名的科学家，他不想只讨论毫无意义的技术术语，所以他给他的朋友基普·索恩打了个电话，索恩是加州理工学院的教授，也是广义相对论专家。索恩和他的同事们此后解出了一些方程，这间接证明了能够安全通过的虫洞的存在。唯一的问题是这些虫洞必须由所谓的“外来”物质构成，这种物质的总能量是负的。这并不像听起来那么荒诞，但这并非完全不可能！
顺便说一下，虫洞和超光速旅行的有趣之处是，任何时候，只要你的速度看起来比光还快，你就可以回到过去(这是爱因斯坦相对论的一个推论)。因此你要是有一个虫洞，你便可以穿越时空。这可能导致许多棘手的悖论：其中最常见的一个被称为"祖父悖论”。
在这个悖论中,我们假设：我是一位杰出的科学家，但却是一个真正的人渣。我发明了一个时间机器，我使用它是为了回到过去，在我祖父遇到我祖母之前杀死他。 因为他死了，他就不能生出我的父亲，也就不会有我的存在，这意味着我不可能建造时间机器去杀了我的祖父，因为可以遇到我的祖母和生育我的父亲，还有我，所以我能让时间机器杀了他，所以……你懂的！像这样的悖论使一些人相信你不能在时间里旅行，所以你的速度不能超过光速，但其中关系并没有那么简单。
——科尔·米勒
穿越虫洞
02
我听人说过，当星际物质到达或接触黑洞的视界时，就会“喷出”光和辐射。
这是什么意思?为什么会发生这种情况?
此外，如果除了光以外，没有任何东西能以光速运动，黑洞如何能把光吸入自身呢?
听起来，你可能会把黑洞的一些性质混淆了:它们实际上并未“喷出”辐射，因为没有任何东西能从黑洞中逃脱(无论如何，在合理的时间量内)。
向内掉的的物质通常会在视界周围形成一个吸积盘，就像水沿着排水沟螺旋下降一样。当这种物质绕着吸积盘旋转，接近黑洞时，它会失去能量，并将这种失去的能量辐射出去。随着某物接近视界，辐射量会急剧增加，因为这是黑洞的重力势阱最陡的区域，所以物质下落得更快，因此损失了更多的能量。
你是对的：由于特殊的相对论效应，任何有质量的物体都不能以光速或超过光速运动。然而，如果光进入事件视界，它仍然可以被“吸入”。根据定义，视界距中心奇点达到了一个特殊的距离，在此处，对于一个给定质量的黑洞来说，它的逃逸速度等于光速。因此，在事件视界上，物体必须以比光速更快的速度运动才能脱离黑洞的重力。这是不可能的，所以即使光以最大的速度c运动，只要它靠近事件视界。黑洞的逃逸速度是sqrt(2GM/c^2)，其中G是牛顿引力常数，M是黑洞的质量。因此，随着黑洞质量的增加，物体逃逸所需的速度也随之增加。
——劳拉·布伦尼曼
事件视界
03
黑洞和白洞有什么区别?
在讨论白洞之前，我们需要先看看黑洞。
我们如何知道黑洞存在?有两种证明方法。
首先，我们有来自望远镜的确凿证据。望远镜被用来观察围绕某个又暗又重的天体(我们用望远镜无法直接看到)公转的物质发出的光。与我们所能看到的类似或更大质量的物体相比，这些暗重的物体似乎非常小。这些又黑又大的物体很可能是黑洞。
其次，我们有一个出色的引力理论，经过了缜密的检验，预测了我们一定会在宇宙中看到这样的物体。
那么白洞是从哪里来的呢?
我们的引力理论(爱因斯坦的广义相对论)所预测的黑洞，是一组方程的解。爱因斯坦方程的解前面可以有一个“+”(加或正的)或“-”(减或负的)符号。我们在数学中经常看到这种情况。y*y=9的解可以是y=+3或y=-3。
根据你在爱因斯坦方程中选择的符号，你会得到一个黑洞，它通过吸收远处的物质而增长，或者你会得到相反的结果，一个“白洞”。它是一个时间倒流的黑洞。
一个白洞会是什么样子? 好吧，如果你有一个摄像机记录一个黑洞吸收物质的过程，然后反过来播放，你会看到一个白洞。你会看到物质被“白色的”洞吐出，当它吐出物质时，洞会逐渐缩小。但是白洞是真的吗?
仅仅因为一个描述世界的方程有一个“负”解和一个“正”解，并不意味着它是对事物的正确描述。如果我告诉你我的棒球票数的平方是9，这意味着我有三张票或者负三张。但是负三张棒球票是无意义的，没有这样的情况。动力学中有很多方程的例子，同时存在正解和负解，但只有一个能描述现实世界。这是因为我们只要环顾四周，就能看到时间朝一个方向移动。时间似乎永远不会自行倒转，不会重放一个小时或一天:
所以我们认为爱因斯坦方程的白洞解不适用于现实世界。就像负三张球票……这根本不会发生。
最后一个关键词是观察，因为你可以得到所有你想要的漂亮的方程，但是它们必须与我们看到的现象相符，否则它们是没用的。目前的观察告诉我们，我们是对的。我们看到了很多关于黑洞的很棒的证据。但迄今为止，还没有一个是关于白洞的。
——巴里麦·柯南
白洞？是否真实存在？
04
我知道黑洞有一个很大的引力场。
任何事物穿过黑洞都将消失。
如果太阳穿过黑洞会发生什么?太阳也有一个很大的引力场，太阳会消失吗?
如果太阳穿过一个黑洞，它就会像其他任何东西一样消失在黑洞中。当任何东西(光，宇宙飞船，甚至太阳)离黑洞太近时，黑洞的引力是如此之强，以至于物体无法逃脱，即使它以光速运动！黑洞“边界”与黑洞中心之间的距离称为视界，进入视界的物质都不可以逃逸。（具体解释见上文）
如果你驾驶一艘宇宙飞船接近一个黑洞，只要你在视界之外航行，你就可以安全地在黑洞周围的轨道上运行。然而，如果你走得太近，经过视界，就没有办法逃脱了！同样，如果太阳进入视界内，它将无法逃逸并且会消失。
如果你想了解更多关于黑洞的知识，或者更多关于物理、天文学、化学、数学方面的知识，请访问这个网站:http://scienceworld. wolfram. com/
——马修·奈特
人类发现的第一个黑洞
位于天鹅座的天鹅座X-1
无线电波段图像
05
如果我们可以控制一个奇点，它的位置，大小，和/或目的地，你认为我们会用它做什么?
首先，要记住，大多数人认为存在一种形式的“宇宙监查”，这意味着一个人不能有一个“赤裸的”奇点。这意味着宇宙中一个真正的奇点周围会有一个事件视界，所以(1)你不能直接看到奇点，(2)事实上这是一个黑洞。
因此，如果一个人能够控制一个黑洞，那么产生大量的能量将是一个很有建设性的用途。气体从很远的地方螺旋进入黑洞， 在最终落入黑洞视界之前，通常会释放出其质量能量的10%左右。原因是，气体被迫以非常快的速度移动，因此它会与自身发生摩擦并升温，因此产生辐射。这大约是核聚变释放能量的10到20倍，此规律适用于任何物质。也就是说，你可以想象，向黑洞扔垃圾(也许是有毒废物!)然后用这种方式产生的能量为人类文明提供能源动力。
然而，我担心，如果有一种技术能够像你所说的那样控制黑洞，那么它将被用于军事方面……
——科尔·米勒
原文链接
https://www.astro.umd.edu/~miller/teaching/questions/blackholes.html
问题11-15
翻译：雯儿
审核：林下光
排版+二次审核+二次翻译：吴泱
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