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黑洞内部是空的,时间和空间都在此终结
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2022.10.28 布基纳法索

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黑洞不是一个物体。黑洞是虚无。赤裸的黑洞是完全空荡的时空。没有原子、光、弦,以及可见或不可见的各种形式的粒子。用物理学术语来讲,黑洞是真空的。

黑洞旅行指南

作者: [美]珍娜·莱文(Janna Levin)

出版社: 湖南文艺出版社

出品方: 博集天卷 / 博集天卷·读行者

原作名: Black Hole Survival Gudie

译者: 刘明轩

出版年: 2022-6

页数: 192

定价: 48.00元

装帧: 精装

ISBN: 9787572606809

01

天体物理学家科普作品。英文版2020年11月出版,算比较新的书。
主要内容是介绍学术界对黑洞的最新看法,想象宇航员在黑洞外围、进入黑洞后的场景。
全书通俗易懂,没有一个公式,没有难懂的学术术语。内容大部分应该是学术界共识。
书中重要内容:

1:黑洞即虚无。黑洞的特别之处在于它不包含任何物质。黑洞的内部空无一物;

2:黑洞可以伪装成一个物体,但它本质上是一个区域,时间与空间中的一个区域。确切地说,黑洞是一种特殊的时空;

3:从外看内,黑洞是不透明的;从内看外,世界是完全透明的;

4:我们无法得知黑洞内部的物质究竟是毁灭了,还是以残骸的形式留存,或是进入了另一个宇宙;

5:奇点既是空间和时间的终结,也是存在的终结;

6:最受公众欢迎的一个猜想就是:黑洞内部的空间结构可能会破裂,从而在另一片空间中形成白洞;

7:任何物体都无法从黑洞中逃离,可黑洞却纵容自己释放霍金辐射,从而缓慢蒸发;

8:黑洞将所有信息都编码于边界之上。

总体评价4星,不错。

以下是书中一些内容的摘抄:

02


第一章 起始
黑洞即虚无。黑洞的特别之处在于它不包含任何物质。黑洞的内部空无一物。
无数恒星的微光点亮了宇宙虚空,而无数不可见的黑洞则幽灵般地藏匿于恒星间隙。我们正绕着银河系中心的一个黑洞旋转。与此同时,我们也正向仙女座大星系中心的另一个黑洞缓慢靠拢。

图片来源:ERNIE-ViLG 文生图


第二章 空间
无论从现实还是理论上讲,黑洞都是宇宙对人类的馈赠,它们会现迹于可观测宇宙中最远也最古老的地方。它们维持着星系,定居在风车状星系和其他恒星岛屿的中心。同时,它们也是人类探索知识边界的天然实验室。黑洞简直是人类开展思想实验,追问宇宙奥秘的绝佳场所。
在寻找黑洞时,你并不是在找一个实打实的黑色球体。黑洞可以伪装成一个物体,但它本质上是一个区域,时间与空间中的一个区域。确切地说,黑洞是一种特殊的时空。
爱因斯坦出现前,人们通常认为引力是一个物体作用在另一个物体上的力,这种力离奇地不需要相互接触。爱因斯坦出现后,一切都变了,引力变成了弯曲的时空。可地球如何在不接触的情况下牵引月亮呢?它并没有。它完全没有牵引月亮,它不施加任何力。相反,地球弯曲了周围的空间,月亮在其中自由地运动。

图片来源:ERNIE-ViLG 文生图


第三章 视界
光路的弯曲第一次检验了广义相对论。1919年5月29日的日食让毕宿星团(也叫毕星团)的一小束光落入了亚瑟·爱丁顿的望远镜中。
事件视界上的光看着像盘旋在黑洞上方,它以固定的速度前行却始终无法逃离黑洞,就像条挣扎在难以逾越的空间水塘边缘的小鱼。推它一下,它就会输掉与黑洞的较量,扑通一声落入其中。
视界内部的事件无法对外界施加影响,更无法向外部世界传递任何信息或能量。反过来却并非如此,外部事件可以被传递到内部,黑洞之外的世界可以影响黑洞之内的世界。从外看内,黑洞是不透明的;从内看外,世界是完全透明的。

第四章 虚无
黑洞不是一个物体。黑洞是虚无。赤裸的黑洞是完全空荡的时空。没有原子、光、弦,以及可见或不可见的各种形式的粒子。用物理学术语来讲,黑洞是真空的。
然而,恒星坍缩并不是黑洞形成的唯一途径,高度压缩的物质总被错误地与黑洞画上等号。但高密物质不是黑洞的本质。黑洞不是物质。
摆脱黑洞就是致密物质的印象吧。把黑洞理解为赤裸的事件视界、弯曲的空旷时空,或者一片虚空。我为这个概念着迷,从而踏上了成为天体物理学家的道路。
你一定会问,如果没有物质,黑洞怎么可能拥有质量?恒星原始的物质消失了,但质量的等效能量在黑洞中得以保留。
但这种说法具有误导性,并回避了关键问题所在。黑洞不是恒星物质的残余,即便它里面包含了物质。事件视界从外部掩盖了坠入物质的命运,所以我们无法得知黑洞内部的物质究竟是毁灭了,还是以残骸的形式留存,或是进入了另一个宇宙。

第五章 时间
从远处看,似乎视界上的时间是静止的,似乎所有时钟都停摆了,包括你的生物钟,似乎你需要无限漫长的时间才能穿越事件视界。
但就你自身而言,你的时间流逝是完全正常的。你随身携带的时钟没有发生任何意料之外的变化,时钟的运转机制看起来完美无缺,你跨越事件视界的整个过程也显得平平无奇。一切都显得岁月静好,尽管在面对黑洞内部前途未卜的命运之前,你只有少量的时间来享受生活。
面临最终的死亡之前,你会看到爱丽丝的时钟运转得飞快,要比你的快太多了。她正在时间的长河中急驰而过,而她发送给你的视频信息已经快到模糊不清。当你即将暴毙于黑洞中心时,她早已衰老成一个老妪,平和地走进生命的尽头。在你从这个世界完全消失的前几分之一秒中,你目睹了你们的空间站暴露在星际物质、恒星风、致命的超新星爆发和死亡恒星间的激烈碰撞中,一步一步腐朽老化,最终支离破碎,消散于浩瀚的空间中。
假设时间和空间首先是由无限遥远的时钟来测量的,那么这些时钟的观察者进入黑洞后将不得不得出如下结论:在事件视界内,他们曾经称为时间的东西现在成了空间,他们曾经认为是空间的东西现在变成了时间。
我们曾想当然地把黑洞奇点当成一个球体的中心。但实际上,它位于未来的时间点,而非空间中的一点。你无法看到黑洞的中心,因为光不能从奇点向你传播,就好比光不能进入过去一样。时间不能倒流。在奇点上死亡,就是你的未来。

第六章 塔迪斯
可一旦你穿过事件视界进入黑洞内部,你就会发现你仍然可以看到黑洞外的世界。你根本没有陷入想象中的黑暗。相反,来自银河系的光如雨点般倾泻而下,毫无阻碍地穿入事件视界,为你呈现了一幅高度扭曲的外界影像。尽管黑洞外表看起来一片漆黑,它的内部却是光明一片。
如果遵循数学推导,我们就要面临一个无比残酷的结局。广义相对论预测,黑洞的内部世界会持续收缩,时空也会灾难般地完全扭曲,最终形成一个奇点。在奇点上,所有路径都会终结。奇点也可能是时空中的一个切口,原始恒星的物质掉进了奇点切口,自此灰飞烟灭,不复存在于宇宙中。也就是说,视界背后实际形成黑洞的坍缩物质不仅与黑洞的结构无关,而且已经从时空中消失了。
这个时空切口不通往任何地方。奇点既是空间和时间的终结,也是存在的终结。任何物体,一旦被空间碾碎,被推进奇点,就不再拥有未来。奇点上的死亡是最完全、最有力的存在性死亡。
如果仍然无法找到切实证据,我们就只能屈服于各种各样的猜想。其中最受公众欢迎的一个就是:黑洞内部的空间结构可能会破裂,从而在另一片空间中形成白洞。因为白洞通向的空间要比黑洞表面更大,整个过程就像是又一场宇宙大爆炸。如同《神秘博士》中的塔迪斯,黑洞里可能藏有另一个宇宙。

第七章 完美
对外部观察者而言,黑洞唯一可区分的特征就是它的质量、电荷和角动量。一个给定质量、电荷和角动量的黑洞与其他所有拥有相同质量、电荷和角动量的黑洞完全相同。这三个识别特征决定了黑洞时空的几何性质,即事件视界和周围时空的大小和形状。
宇宙射线撞击地球大气层的能量远远超出了对撞机所产生的能量。我们的地球和其他任何行星都未曾消失在迷你黑洞里,就算微型黑洞能够在地球大气中形成(我们对此表示强烈怀疑),它们也会因为过于不稳定,从而无法毁灭地球。
没有证据表明宇宙中曾出现过这些原始迷你黑洞。但是,有令人信服的证据可以证明,在宇宙大爆炸几十亿年后能够形成黑洞时,宇宙就恰逢其时地产生了恒星级黑洞。

第八章 天体物理
现在我必须承认,“黑洞”这一抽象概念正表现得越来越像宇宙中真实存在的物体。架设于卫星、热气球和地面上的望远镜能够窥探来自宇宙深处的光线。它们一致得出结论,黑洞是真实存在的。
物质被卷入了由黑洞驱动的电磁风暴。它们的加盟使得无形的黑洞变得清晰可辨,如同龙卷风中的尘埃一样忠实地标识着风暴的踪迹。黑洞将物质泥沼加速旋转成明亮的喷流,垂直推进数百万光年,终于成为可观测宇宙深处震撼人心的灯塔。
类星体位于星系核心,是由超大质量黑洞驱动的活动星系核。活动星系核的质量从数百万到数十亿太阳质量不等,却集中于比太阳系还小的空间内,宛如一个沉重的锚,固定着致密、拥挤的星系中心。星系核周围环绕着成千上万个小黑洞和已经死亡或仍然活着的恒星。
通过对恒星运动的观察,我们得以推断出,超大质量黑洞存在于银河系中心,其质量约为太阳质量的400万倍。

第九章 蒸发
我必须承认,目前存在一个细微漏洞,使得“黑洞是黑暗的”这一假设理论上不再成立:霍金辐射。
我们将引力等同于时空,用约翰·惠勒的话来讲,时空中的物质和能量告诉时空如何弯曲,而弯曲的时空告诉物质和能量在其中如何运动。
任何物体都无法从黑洞中逃离,可黑洞却纵容自己释放霍金辐射,从而缓慢蒸发。此情此景荒诞地违反了我们的直觉,同时也是对黑洞自身的绝妙讽刺。
霍金证明,辐射热量会泄露到事件视界外的空间,信息却无法与之同行,最终黑洞会在霍金辐射中爆炸,什么都不会留下,包括事件视界。

第十章 信息
上述情景引发了物理学的理论危机,即黑洞信息丢失悖论。一方面,黑洞奇迹般地抹除了内部信息。另一方面,信息是神圣的,绝对不会丢失。
波函数能够告诉你,你在空间中某位置发现量子粒子的概率,你发现量子以某种速度运动的概率,以及你发现量子处于任何特定状态的概率。
黑洞的存在摧毁了信息的神圣性,亦即探寻真理和决定论的一切希望。量子力学的不确定性仍然存在,只不过是在确定性的波函数中找到了容身之处。

第十一章 全息
问题在于,我们既无法抛弃引力理论,也舍不得放弃量子力学。因此,我们有理由怀疑宇宙正在戏弄我们,明知不可能,却怂恿我们将两者同时欣然接受。
在上面的复述中,我们面临的挑战是如何权衡两种难以调和的论调。“落入黑洞的信息永远无法逃逸”与“信息的确能够逃逸”,哪一个才是正确的?解决如此棘手的问题或许需要更加大胆的想法:两者都对。这便是我们的推测——同时发生。
上述推理的必然结论便是,黑洞是幅全息图,也就是使用二维编码来投射出的三维影像。请尝试说服你自己,黑洞将所有信息都编码于边界之上。黑洞内的三维空间只不过是一种浮华、一种虚拟投影、一种派对上的假把戏。

第十二章 火墙
量子纠缠必须严格遵守一夫一妻制,霍金粒子对中的每位成员都要尽可能地与其伴侣相互纠缠。就像前文颜色类比所要求的,虚粒子量子态中的每个细节都要与配偶的对应细节严丝合缝地绑定,以满足重返真空的条件。霍金光子的所有信息都要与其配偶的信息捆绑在一起,所以,粒子对中没有任何剩余的信息可以允许第三者插足。
如果确实存在这样一堵火墙,那便没人能够混进黑洞内部,因为黑洞的内部世界根本就不存在。黑洞将终结于事件视界周围的火墙,任何企图翻墙入洞的侵入者都将毫无疑问地引火烧身,玉石俱焚。
更进一步,黑洞甚至可能只是一个空壳,没有独属的内部空间。黑洞的内部世界只存在于连接虫洞与外部纠缠的量子位之间的隧道中。当你落入黑洞时,虫洞的存在会确保你同时也存在于黑洞之外。你的信息落入了黑洞,但同时也成功逃逸了。

第十三章 终结
太阳曾经一度被尊为星系的中心,即整个宇宙的中心。然而,太阳随后便被“废黜”了。人马座A*上位成为银河系的终极主角,由银河系中几乎所有恒星系统、球状星团(由不规则运动的恒星组成的怪异致密的恒星集团)以及一个恰如其名的、不可见的暗物质晕紧密环绕。

全文完

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