張帆
北京師范大學(xué)天文系副教授
彎曲的時(shí)空
要想明白為什么黑洞看起來(lái)像甜甜圈，就要先知道廣義相對論。
廣義相對論的誕生最早可追溯到比薩斜塔的實(shí)驗，伽利略將一個(gè)重球和一個(gè)輕球同時(shí)從斜塔上扔下來(lái)，它們最后居然同時(shí)落地。
比薩斜塔實(shí)驗
結果出乎人們的意料。愛(ài)因斯坦后面細想這個(gè)實(shí)驗結果，意識到引力和其他的力完全不一樣。
比如電磁力，如果讓兩個(gè)同樣的物體帶上不同的電荷，然后把它們放到電場(chǎng)里面，一個(gè)會(huì )加速快，一個(gè)會(huì )加速慢，然后它們兩個(gè)就分開(kāi)了。
通過(guò)這個(gè)辦法，我們能知道某處是否有電場(chǎng)。
但是在引力場(chǎng)的作用下，兩個(gè)物體永遠同步下落，我們沒(méi)有辦法區分，到底是因為引力場(chǎng)的作用它們才下落，還是其實(shí)這兩個(gè)物體是在太空中飄著(zhù)的，只不過(guò)是我們作為參照物的電梯加速往上走，才顯得它們加速向下運動(dòng)。
在這種情況下，愛(ài)因斯坦就想了，如果在任何實(shí)驗下都不能區別這兩種情況，那么物理作為一個(gè)實(shí)驗科學(xué)應當認定他們是一樣的。
換句話(huà)說(shuō)，引力不是力，它并沒(méi)有加速物體，人們平時(shí)生活中所經(jīng)歷的引力效果，大多是因為人們選了比較奇怪的參照物。
話(huà)雖如此，也不是說(shuō)引力在任何時(shí)候都是沒(méi)有效果的，引力當然存在，只是它不是一個(gè)正常的力。在大尺度上，它的效果就體現出來(lái)了。
下落的兩電梯
好比這張圖顯示的思維實(shí)驗的情況，一開(kāi)始這兩個(gè)電梯是平行下落的，但到后來(lái)它們會(huì )撞到一起。因為引力的作用會(huì )引導它們向地心的方向走。
如果引力不是力，那不受力的物體應該沿直線(xiàn)運動(dòng)，為什么沿直線(xiàn)運動(dòng)的兩個(gè)在開(kāi)始的時(shí)候平行的物體走著(zhù)走著(zhù)到后面就不平行了？
很明顯，這種情況無(wú)法在平面上發(fā)生，但在曲面上，就有可能發(fā)生。
這個(gè)時(shí)候愛(ài)因斯坦就想，引力不是力，引力其實(shí)代表著(zhù)時(shí)空的彎曲。
物體走直線(xiàn)，這件事在一任意的形狀上面，意味著(zhù)它會(huì )走這個(gè)形狀上最短的線(xiàn)，而形狀本身很奇怪的話(huà)，這些線(xiàn)也會(huì )表現出來(lái)很奇怪的特點(diǎn)。
我們現在就可以理解為什么在一個(gè)電梯里面，我們沒(méi)有辦法測出引力存在不存。但是在一個(gè)大的尺度上，在引力場(chǎng)有變化的時(shí)候，引力的效果就體現出來(lái)了。
想象你是一只螞蟻，位于圖中黑色的小圈里，你其實(shí)無(wú)法區分你究竟是在上方的平面上，還是在下方的曲面上，這有點(diǎn)類(lèi)似我們身處地球，卻不知道地球是圓的。
你只有把自己拉出來(lái)，放到一個(gè)很大的尺度上，看到了引力場(chǎng)的變化，也才會(huì )知道原來(lái)你是在一個(gè)彎曲的面上的。
這種引力的變化也叫潮汐力，可以說(shuō)，引力的效果主要是通過(guò)潮汐力來(lái)體現的。
引力既然是時(shí)空彎曲的表現，那么產(chǎn)生引力的物質(zhì)就必然要彎曲時(shí)空，物質(zhì)怎么彎曲時(shí)空呢？
如果引力不是力，為什么我現在跳一下，沒(méi)有受到力的我不會(huì )飛到太空里面去呢？
事件視界
一條魚(yú)拼命想游出瀑布
其實(shí)，你可以這樣想象，空間就像一條瀑布，水不斷地往下流，越往下流速越快，所以即便我往上跳，但還是被瀑布給沖下來(lái)了。
換而言之，在宇宙里，如果一個(gè)很小的范圍里有著(zhù)一個(gè)質(zhì)量很大的物體，這個(gè)物體周?chē)俨嫉牧魉贂?huì )很猛，那么以最快速度游動(dòng)的魚(yú)也沒(méi)有辦法游出去。
愛(ài)因斯坦曾說(shuō)，宇宙里速度最快的是光速，如果一條光速游動(dòng)的魚(yú)都逃不出去，那么這個(gè)瀑布就叫作黑洞，黑洞的邊際叫作事件視界。
在瀑布邊緣試探的船
在事件視界之外，光雖然不會(huì )被吸進(jìn)去，但也會(huì )受到影響。就像圖片中的這條船，即便人們再努力地沿直線(xiàn)劃，因為橫向水流很快，也還是會(huì )受到影響而被拖著(zhù)拐彎。
黑洞周?chē)鷱澢墓?br>
黑洞周?chē)墓獠恢粫?huì )彎曲，還會(huì )繞著(zhù)黑洞轉圈圈。
繞黑洞轉的氣體
這時(shí)如果在黑洞周?chē)乓粓F炙熱的氣體，讓它繞著(zhù)黑洞轉，那么你就會(huì )看到它有好多個(gè)影子。
我們可以把黑洞想象成一個(gè)哈哈鏡，從不同角度去看它，它就會(huì )把這團氣體映射出很奇怪的影像。
像甜甜圈的黑洞
所以這張像甜甜圈的照片，黑洞其實(shí)在中間位置黑色的里面，圍繞它的那一圈是黑洞外面的物質(zhì)所發(fā)射出來(lái)的信號，被像哈哈鏡一樣的黑洞折射出來(lái)的射電信號。
當然這景象實(shí)際上人的肉眼是看不到的，因為人是看不到微波的。這張圖實(shí)際上是根據信號強度做出來(lái)的。
如果人類(lèi)真的可以跑到黑洞附近去觀(guān)看，會(huì )看到黑洞周?chē)遣噬?，這是因為繞著(zhù)黑洞轉的這些氣體，在不同的地方溫度不一樣，發(fā)射出來(lái)的顏色也就不一樣，所以才會(huì )呈現彩色效果。
黑洞周?chē)鷼怏w因不同溫度發(fā)射出不同光彩
所以黑洞甜甜圈的照片其實(shí)是根據大量數據處理出來(lái)的，但實(shí)際想拍攝到這樣的照片也還是非常非常難的。
照片中的黑洞本體在5500萬(wàn)光年以外，而且黑洞本身很小，在天空上基本是一個(gè)小點(diǎn)兒，人們想在小點(diǎn)兒上分辨出明暗，這是非常難的。
用干涉陣列來(lái)看遙遠的黑洞
所以要得到這么精細的照片，就必須要有特別高的角度分辨率。那么怎樣才能獲得這么高的角度分辨率呢？
通過(guò)干涉陣列的方法。黑洞的信號在某一時(shí)刻齊頭并進(jìn)向外傳播，而它們到達地球上各個(gè)射電望遠鏡的時(shí)間是有差別的。
時(shí)間差明顯與虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)之間的夾角相關(guān)，所以利用時(shí)間差，科學(xué)家們就能用干涉的方法將這些信號的來(lái)源方向提取出來(lái)。
時(shí)間差又和實(shí)線(xiàn)的長(cháng)度成正比。換句話(huà)說(shuō)，如果把兩個(gè)望遠鏡之間的距離拉的特別長(cháng)，你會(huì )得到一個(gè)比較大的時(shí)間延遲，在儀器精度不變的情況下，你就可以得到特別高的角度分辨率了。
這就是為什么這次參與拍攝黑洞的射電望遠鏡陣列，涵蓋了從格陵蘭島到南極，不同地方的望遠鏡，之間的距離達到地球直徑。
我們可以用大型儀器觀(guān)看遙遠星際里很大的黑洞，也有可能用一些高端儀器在地球上造出來(lái)很小的黑洞。
這位老先生叫Kip Thorne，是電影《星際穿越》的科學(xué)顧問(wèn)。
他提出來(lái)一個(gè)猜想：如果給定一個(gè)物體，根據它的質(zhì)量做一個(gè)特別小的呼拉圈，然后讓呼拉圈各種轉，轉的過(guò)程中始終能把這個(gè)物體包含在內，那么這個(gè)物體必定是一個(gè)黑洞。
大型的粒子對撞機也能夠把很高的能量，也就是很大的質(zhì)量集中在一個(gè)很小的范圍里，所以根據這個(gè)猜想也是有可能造出一個(gè)黑洞的。
如果我們真的用粒子對撞機造出了黑洞，它會(huì )吞噬地球嗎？
這是不可能發(fā)生的。首先，形成黑洞是很難的。要兩個(gè)粒子對得特別準，正好迎頭撞上，如果不在微小的尺度上修改引力，引入一個(gè)高維空間，想要做到這點(diǎn)實(shí)際上很難。
而黑洞即便產(chǎn)生之后，也會(huì )面臨霍金蒸發(fā)，而且越小的黑洞蒸發(fā)越快，黑洞很快就沒(méi)了。
這個(gè)“蒸發(fā)”的說(shuō)法是霍金提出來(lái)的，但即便霍金說(shuō)錯了，黑洞不會(huì )蒸發(fā)，它能長(cháng)期而穩定地存在，那它也不會(huì )吞噬地球。
因為所謂黑洞引力強，只有在距離黑洞特別近的地方才能體會(huì )到，離黑洞比較遠的時(shí)候，黑洞的引力實(shí)際上跟一個(gè)同等質(zhì)量的基本粒子沒(méi)什么區別，不會(huì )把遠處的物體吸過(guò)去吞掉。
我們周?chē)倪@些東西基本都是真空，因為原子核和原子的大小差著(zhù)十萬(wàn)倍。
就算科學(xué)家能造出黑洞，那也比原子核小得多得多，基本沒(méi)有什么能跑到距離黑洞特別近的地方給它“吃”，所以黑洞最多沉到地球中間，就靜靜地“坐著(zhù)”。
掉進(jìn)黑洞會(huì )有什么體驗
雖然我們沒(méi)在地球上作死，但經(jīng)常在電影里面的大黑洞那里胡鬧。例如《星際穿越》中的男主角Cooper后來(lái)跳到了黑洞里。
影片中的他在經(jīng)過(guò)事件視界的時(shí)候，沒(méi)有任何感覺(jué)，然后就進(jìn)去了。
這是因為，除非有潮汐力的存在，否則根據等效原理，物體在自由落體時(shí)是沒(méi)有任何感覺(jué)的。
超大黑洞的潮汐力其實(shí)很弱，因為引力雖然很強，但是人的尺寸比黑洞的尺寸小得多，在人的尺寸上黑洞引力沒(méi)什么變化。所以Cooper在通過(guò)事件視界的時(shí)候并沒(méi)有什么不適。
所以黑洞的引力場(chǎng)雖然強，但因為沒(méi)有什么潮汐力，所以Cooper并沒(méi)有什么不適。
掉進(jìn)黑洞的Cooper
直到他掉到中間接近奇點(diǎn)的時(shí)候，如果頭朝下掉就會(huì )被撕碎，如果橫著(zhù)掉就會(huì )被壓扁。
影片中的女主角布蘭德，也就是安妮·海瑟薇飾演的那個(gè)角色，她坐在宇宙飛船里其實(shí)是看不到Cooper掉到黑洞里面的，她會(huì )以為Cooper一直凝固在事件視界上，為什么會(huì )這樣呢？
手繪時(shí)空圖
大家請看這張手繪的時(shí)空圖，豎著(zhù)的代表時(shí)間，橫著(zhù)的代表空間，直線(xiàn)代表事件視界，曲里拐彎的線(xiàn)代表奇點(diǎn)，弧線(xiàn)代表Cooper的運動(dòng)軌跡。
我們剛才說(shuō)了，事件視界的定義是任何光都永遠無(wú)法逃脫的地方，換句話(huà)說(shuō)，光沿著(zhù)事件視界在運動(dòng)。
如果想讓布蘭德看到Cooper，那必須得有光從Cooper那里發(fā)出來(lái)，并達到布蘭德的眼睛。
但因為光無(wú)法從事件視界里逃脫出來(lái)，所以里面的光永遠到不了布蘭德的眼睛，布蘭德也就永遠不知道Cooper掉進(jìn)黑洞了。
布蘭德只會(huì )看到Cooper走得越來(lái)越慢，最后貼到事件視界上不動(dòng)。如此看來(lái)，事件視界真是很奇妙。
但還有更奇妙的。這段動(dòng)畫(huà)展示了兩個(gè)黑洞合并時(shí)的狀態(tài)，兩個(gè)黑洞的事件視界最終合并成了一個(gè)單一的事件視界。
請大家注意觀(guān)察，兩個(gè)事件視界在合并的時(shí)候，就像兩只小手在牽手一樣。它們怎么這么厲害？它們怎么知道對方要往哪個(gè)方向伸手？怎么知道未來(lái)會(huì )發(fā)生什么事？怎么確定它們就能完美地合并呢？
這其實(shí)涉及到了事件視界的另一個(gè)特性——預知未來(lái)。事件視界的定義是光“永遠”無(wú)法從事件視界里逃脫，所以光在某一時(shí)刻其實(shí)并不知道自己是否位于事件視界里，只有一直等到宇宙滅亡，它才會(huì )知道自己最后到底有沒(méi)有跑掉。所以事件視界的定義就限定它不是由局部的物理就能決定的。
褲子圖
這張圖描繪了兩個(gè)小黑洞合并成一個(gè)大黑洞，這個(gè)圖也叫褲子圖。在黑洞合并的過(guò)程中，實(shí)際上黑洞的質(zhì)量會(huì )減小，因為有一部分能量被引力波帶走了。
但是Bekenstein和霍金告訴我們，黑洞的表面積實(shí)際上是增大的。
各領(lǐng)域科學(xué)家眼中的黑洞
這好像有點(diǎn)違背常理，不過(guò)在經(jīng)典物理的情況下，情況確實(shí)是這樣，只是轉到量子力學(xué)領(lǐng)域，情況就會(huì )不一樣了。
量子力學(xué)對真空的定義是根據觀(guān)測者而定的。《星際穿越》中的Cooper看到的是真空，周?chē)裁炊紱](méi)有。
但在宇宙飛船里的布蘭德看到的是黑洞周?chē)泻芏嗔Ｗ?，這些粒子組成的體系有溫度，黑洞就會(huì )產(chǎn)生熱輻射，這就叫霍金輻射。
在宇宙真空環(huán)境里，不斷會(huì )有一對粒子產(chǎn)生出來(lái)，它們互相抵消然后消失，之所以能這樣，是因為測不準原理。
測不準原理認為，在一個(gè)很小的時(shí)間范圍內，能量是測不準的，所以能量不需要守恒。
你可以造出兩個(gè)粒子，只要它們能在短時(shí)間內抵消再消失，把能量還回去，那一切都沒(méi)事兒。（當然實(shí)際上，量子力學(xué)在計算的時(shí)候，會(huì )用另一個(gè)等效的方法，還是假設能量守恒，但是給這兩個(gè)粒子特別奇怪的能量值，這樣一來(lái)，質(zhì)能方程E=mc2就不能用了。）
但這種粒子產(chǎn)生再消亡的情況如果發(fā)生在黑洞附近，情況就會(huì )變得復雜些，比如其中一個(gè)粒子掉到黑洞里，或者一開(kāi)始就在黑洞里，而另一個(gè)粒子在黑洞外，那里面的粒子就沒(méi)法出來(lái)和外面的粒子抵消，外面的粒子就能跑掉，帶走它的能量，這樣就無(wú)法償還能量給真空。這筆賬需要黑洞替它還。
長(cháng)期下來(lái)，黑洞的能量就被弄走了，黑洞就會(huì )逐漸變小，直至最后炸掉、消失。而跑掉的粒子就是霍金輻射。
霍金輻射還有一個(gè)特別奇妙的地方，它是純正的黑體輻射，它只和黑洞的質(zhì)量、旋轉速度和電荷相關(guān)，和黑洞由什么組成沒(méi)有任何關(guān)系。
你扔本字典和扔塊石頭進(jìn)去，它們對霍金輻射的影響都是一樣的，我們沒(méi)有辦法通過(guò)霍金輻射識別最開(kāi)始扔的是字典還是石頭。
這和太陽(yáng)的黑體輻射還不一樣，太陽(yáng)的輻射里面其實(shí)有很詳細的細節信息，只不過(guò)人們人為地忽略它們，用一個(gè)大寫(xiě)意的方法，用熱力學(xué)來(lái)描述太陽(yáng)輻射，人為地把那些信息忽視了。
而霍金輻射是沒(méi)有細節的，無(wú)所謂是什么信息，被黑洞給吞了以后就出不來(lái)了，直到黑洞蒸發(fā)消失，這些信息也就跟著(zhù)消失了。
不過(guò)，信息憑空不見(jiàn)的說(shuō)法讓一群人無(wú)法接受，他們就是量子物理學(xué)家。
回到霍金輻射。之所以會(huì )有霍金輻射，其實(shí)是以粒子犧牲同伴到黑洞里為代價(jià)的。所以輻射跑出來(lái)的粒子其實(shí)已經(jīng)和掉進(jìn)去的粒子之間糾纏在一起了，那它想按量子信息學(xué)家要求的那樣和其它跑出來(lái)的粒子之間糾纏上的話(huà)，就需要先和里面的粒子斷交。
有量子力學(xué)專(zhuān)家認為斷交的結果是在事件視界附近形成了一個(gè)充斥著(zhù)極高能量粒子的區域——火墻。
這樣一來(lái)，Cooper就不是像經(jīng)典物理學(xué)家說(shuō)的那樣，會(huì )毫無(wú)感覺(jué)地通過(guò)事件視界，完全不知道自己面臨死亡的威脅。
相反，Cooper會(huì )被火墻燒焦，甚至直接燒成渣。這種說(shuō)法直接違反了愛(ài)因斯坦廣義相對論的等效性原理——除去潮汐力，以自由落體方式落入黑洞的人感受到的物理規律應當和漂浮在空曠的星系空間的人相同。
而且確定事件視界的位置需要能預知未來(lái)，如果要放火墻在那上面，難道要讓火墻去預知未來(lái)嗎？
如果這樣的話(huà)，整個(gè)物理學(xué)都要被重新改寫(xiě)了。很多人認為既然要做那么多的改動(dòng)，還不如承認信息丟失算了，把量子力學(xué)的理論改一改，別總試圖改相對論。
尤其像羅杰·彭羅斯，他認為黑洞信息丟失是他所提議的循環(huán)宇宙模型中很關(guān)鍵的一部分。
總而言之，黑洞除了在觀(guān)測上非常有意思，能帶給我們很奇妙的照片外，它其實(shí)非常適合做思維試驗，是可以憑空就能推動(dòng)科學(xué)發(fā)展的東西。
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