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黑洞里面会是什么样的?充满生机还是一片死寂?

感谢郭哥的邀请,我来简单谈一下自己的看法。

  • 黑洞是什么?

首先要明确一点:黑洞不是“洞”,而是宇宙中广泛存在的一种天体,和恒星、行星、白矮星、中子星等等一样普通。但黑洞也有一个其他星体都不具备的特性,那就是在其附近某个高度逃逸速度大于光速,也就是说任何物质一旦到达这个高度都会被黑洞吸附,再也不会逃逸出来,因为即便达到宇宙中的最快速度---光速也无济于事,更何况有质量的物体根本不可能达到光速。

上面是根据牛顿经典力学得出的一个结论,而事实上,最早的关于黑洞的预言也确实是根据牛顿经典力学作出的。1783年,英国物理学家约翰.米切尔在一篇论文中讲述了自己的观点:在假定光具有粒子性、受引力约束的前提下,如果有一颗密度与太阳相同但半径为太阳五百倍的巨大天体,那么它的逃逸速度将大于光速,这种“巨无霸”天体我们将永远不能看到。直到现在,部分业余的天文爱好者们(例如我)在进行一些没有意义的关于黑洞的计算时,仍然会用牛顿经典力学的公式。毕竟这种方式简单直接,便于理解。

而到了爱因斯坦相对论提出后,人类对黑洞的认识又提升到了一个新的高度。1916年,史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力方程的一个真空解。这个解表明一个有质量的质点周围会存在一个边界范围,一旦进入这个范围,连光线也无法逃脱。由于在相对论中,引力是时空弯曲的表现,而黑洞又是时空弯曲到一定程度的表现,所以无论是波还是粒子都会被黑洞吸引。需要明白的是:任何质量都有与其对应的边界范围,这个范围叫做视界。只有物体的半径小于视界的半径,这个物体才可以被称之为“黑洞”。这大概是人类对黑洞的最新定义了吧。

  • 黑洞里面是什么?

很抱歉,没有人可以讲清楚这个事情并且确定自己的说法是绝对正确的。甚至可以说即便有一个黑洞可以在确保安全的前提下近距离被人类研究,也不会得到任何关于黑洞内部的信息,黑洞就像一扇只进不出的大门,被一把无法打开的大锁锁上了。掉入黑洞内部的任何信息都已经完全丢失并且无法找回了。

相信大家都看过霍金的《时间简史》。在这本书中,霍金用光锥来表示一个事件对周围的影响。这个光锥以光速扩大,光锥以外的范围是不会受这个事件影响的。虽然不一定准确,但这种方法可以在对黑洞的理解方面提供一些帮助。一旦有物体或者光线进入黑洞视界,那么它的光锥就不会再以光速扩散而是会被牢牢限制在黑洞范围内。无论什么情况,黑洞内部都不会有任何信息传递出来。

更精准的描述是:我们甚至无法将一艘探测器送入黑洞。对于外界看来,黑洞附近极大的时空曲率会导致其时间流速变慢,越接近视界附近时间越慢直至趋于停止。所以如果有探测器飞向黑洞,我们在遥远的地方能够看到一个奇怪的现象:探测器的速度越来越慢,最后慢到已经看不到它的移动,但就是无法进入黑洞。事实上探测器十分确定已经在某一刻进入视界范围,但它的时间被无限拉长,直到宇宙毁灭我们也无法看到探测器进入黑洞视界,又谈何探测?

也许有人会说:霍金不是认为黑洞也会辐射出各种粒子、会蒸发吗?那通过观察这些辐射出的粒子是否能够窥得黑洞内部的一点情况呢?很遗憾这是不可能的。霍金辐射认为真空中会凭空产生很多正负粒子对,在很短的时间内相互抵消,在宏观上不表现。但如果这种情况出现在黑洞视界附近,情况就不一样了。霍金经过一系列计算认为负粒子落入黑洞的概率更大,这样在宏观尺度看来黑洞就不断向外辐射正粒子了。由于这些正粒子并非来自黑洞内部,所以并不携带黑洞内部信息,视界内的信息仍然被永远封存。

  • 黑洞内部有没有可能存在生命?

按照现在的观点,黑洞是一个密度无限大、体积无限小的奇异天体,这个概念很像我们在高中时期物理课上为了简化计算设想的一个有质量无体积的点:质点。事实上,黑洞的这种状态有一个确定的称呼:奇点。如果黑洞真的是这种状态,那很难想象与我们类似的生命能够在这样一种环境下存活。要知道奇点本不应该存在于世间,但在物理学家们的草稿纸上,它确确实实被算出来了。当然,这并不意味着灾难,而是以极其直观的方式向我们展示了人类思维的局限。

但是视界的存在给了我们一个机会。要知道奇点没有大小,但视界有啊。视界范围是计算出来的,具有确定大小的一片区域。这一片区域的信息无法传递出来,其中是否存在生命也未可知。

此外,史瓦西半径的计算公式为“黑洞内部存在生命”提供了极大的理论支持。从公式来看,史瓦西半径与黑洞质量成正比,即质量增加一倍,史瓦西半径也增加一倍。但球体的半径增加一倍,体积要增加八倍,这说明黑洞的质量增加一倍,密度就减小为原来的八分之一,这是一个无法忽视的效应。如果黑洞的大小按照史瓦西半径公式来计算,那么恒星质量级别的黑洞密度可能与中子密度接近,但星系质量级别的黑洞其密度可能比地球大气还要小。

大部分人想到这儿也就停下了,但我们不妨在往大了设想一下,如果黑洞质量再大一些呢?大到一定程度时它的密度会不会比宇宙的平均密度还要低?如果真的是这样,那我们是不是就生活在一个黑洞中?要知道这并非危言耸听,而是有一定的理论支持。

所幸郭哥的问题并没有限制黑洞的大小。不过如果我们本身就生活在一个黑洞中,那我想我们生活的地球应该算是鸟语花香充满生机了吧?

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来自:隐姓埋名hhwdt4  > 73 物理学
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