在人类仰望星空的数千年里,我们习惯了星星是温暖的、发光的,但在宇宙幽暗的角落里,潜伏着一种完全相反的怪物,它不发光,它吞噬光。
它是时空的深渊,是物理定律的墓碑,是宇宙中最奇异、最极端的霸主:黑洞。
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科学家告诉我们,黑洞是恒星死亡后的尸体,是一个“只进不出”的终极囚笼,任何物质,包括光,一旦越过那条红线,就永远无法回头,但在爱因斯坦的方程深处,在数学的极致推演中,科学家们却看到了另一种令人毛骨悚然的可能性:
如果黑洞不是终点呢?
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如果这个深渊的底部,连接着另一个宇宙的入口呢?
今天,我们就来扒开黑洞那漆黑的伪装,去窥探藏在视界背后的惊天秘密。
要理解黑洞为什么可能是“门”,我们先得理解它为什么是“笼子”,黑洞的结构极其简单,却又极其致命,它主要由两个部分组成:事件视界是黑洞的表面,但这不是实体表面,而是一条有去无回的单向边界,奇点是黑洞的心脏,一个体积无限小、密度无限大、时空曲率无限大的点。
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至于为什么出不去,这就涉及到了逃逸速度,当一个天体的密度大到一定程度,其表面的逃逸速度就会超过光速,而在狭义相对论中,宇宙的最高限速就是光速,既然连光都跑不掉,那宇宙中没有任何东西能跑掉。
当你穿过视界的那一刻,你甚至不会撞上什么东西,但你的命运已经被锁死,在视界内部,时空坐标发生了互换:空间变成了时间。
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在视界外,你可以自由选择向左走或向右走,但无法停止变老,在视界内,你可以看到未来,但你只能向着一个方向移动,那就是奇点,对你来说,奇点不再是一个“位置”,它变成了你的“未来”,你无法避免撞上奇点,就像你无法避免明天的到来。
1935 年,爱因斯坦和他的学生纳森·罗森在研究引力场方程的解,他们发现,如果在时空中把黑洞这个“极度弯曲”的点继续向下延伸,数学公式竟然没有在奇点处终结,而是通向了另一端,这个解描述了一种连接时空两个遥远区域的狭窄隧道。
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这就好比一只蚂蚁在苹果表面爬行,那是漫长的二维路程;但如果有一条虫子咬穿了苹果,就创造了一条三维的捷径,这个结构最初被称为“爱因斯坦-罗森桥”,后来物理学家惠勒给了它一个更形象的名字:虫洞。
这个发现颠覆了人们对黑洞的认知,黑洞不仅仅是吞噬物质的“下水道”,它可能是连接两个不同时空的“喉咙”,如果我们把宇宙看作一张折叠的纸,黑洞就是那个把纸刺穿的针眼。
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如果有入口,就必须有出口,爱因斯坦-罗森桥的另一端连接着什么?
数学推导给出了一个对称的答案:白洞,如果说黑洞是“只进不出”的极恶之地,白洞就是“只出不进”的神圣之源,它是黑洞在时间上的倒放,黑洞引力无穷大,吸入一切,白洞斥力无穷大,喷射一切,在这个模型中,物质从黑洞掉进去,穿过虫洞这个高维通道,然后从宇宙另一端的白洞里被喷吐出来。
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甚至这个出口可能不在我们这个宇宙,而在另一个平行宇宙,虽然我们至今没有观测到白洞,但在大爆炸理论中,宇宙诞生的那一刻,奇点瞬间喷发出所有的物质和能量,这在某种意义上,就是一个超级白洞。
在黑洞的众多种类中,旋转的黑洞被称为克尔黑洞,高速旋转时,离心力会把中心的奇点“拉”开,奇点不再是一个点,而变成了一个“奇环”,就像一个飞速旋转的甜甜圈,如果你能以极其精确的角度飞入黑洞,你可以不撞上奇点,而是从那个奇异的圆环中间穿过去。
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穿过圆环后,你不会被压碎,而是进入了一个被称为“反引力宇宙”或“负空间”的地方,在克尔黑洞的数学模型中,这种穿越是可行的,电影《星际穿越》中,库珀正是利用了旋转黑洞的特性,才没有被撕成碎片,而是进入了高维空间。
理论很丰满,现实很骨感,要想真的把黑洞当成时空门,我们面临三个几乎无法逾越的物理障碍,首先是潮汐力,在接近黑洞时,你脚底的引力比头顶大得多,这股力量会把你像拉面条一样拉长、撕碎,除非这是一个超大质量黑洞,其视界处的潮汐力才可能温和到让人类存活。
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根据计算,自然形成的虫洞极其不稳定。一旦有物质试图进入,引力扰动会导致虫洞在瞬间崩塌、闭合,把飞船切断,想要撑开虫洞,保持大门敞开,我们需要一种具有“负能量密度”的物质。这种物质能产生反引力,抵抗虫洞的闭合。
目前,我们只在量子效应中观察到了极其微弱的负能量迹象,根本不足以用来建造星际之门。
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现在来看,黑洞是人类认知边界上的一道疤痕,广义相对论在这里预言了通道,量子力学在这里预言了信息毁灭,直到今天,我们依然无法确定,跳进黑洞的人,究竟是化作了一团基本粒子,还是毫发无损地出现在了仙女座星系,甚至是另一个维度的宇宙。
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但这正是黑洞最迷人的地方,它就像一面单向镜,镜子这边,是我们的已知世界,充满了因果律和守恒量,镜子那边,是完全未知的物理荒原,也许在数万年后的未来,当人类终于能够驾驭负能量,能够制造出戴森球级别的能量源时,我们会派遣一艘无人探测器,勇敢地冲向银河系中心的那个超大质量黑洞。
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在信号中断前的最后一秒,它发回的照片,也许不是无尽的黑暗,而是一片璀璨的、从未见过的陌生星空,黑洞不是终点,它是宇宙留给勇敢者的后门。
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