掉进黑洞是种怎样的体验?

作者: Amanda Gefter

来源: 把科学带回家

发布日期: 2016-10-20

文章详细描述了掉进黑洞可能的体验,从第三人视角和掉入者的视角分别进行了阐述,同时解释了黑洞的物理特性和相关理论,如广义相对论和量子力学。文章还提到了黑洞的信息悖论,以及物理法则如何影响观察者和掉入者在不同位置的体验。

其实掉进黑洞这件事儿也不是没可能,可能就在你开着飞船寻找新的人类殖民地的时候,或者就在你散步的时候。只要一个人足够倒霉,掉进黑洞这事儿还真是有可能的。不过像我们这些从没掉进过黑洞,也不想掉进黑洞的人也会好奇:掉进黑洞是种怎样的体验?你可能猜想人掉进黑洞后会被撞击,或者被撕成碎片。然而,在掉进黑洞这事儿上还真的应了那句话:现实比想象更离奇。

根据广义相对论,当背景光源发出的光在引力场(比如星系、星系团及黑洞)附近经过时,光线会像通过透镜一样发生弯曲。在你掉进黑洞的瞬间,现实就被一分为二了,也就是说,你变成两个人了,而且两个都是你。其中一个你会立刻烧成灰,而另一个你则会掉进黑洞深处,安然无恙。什么?这不科学?这其实很科学,因为在黑洞面前,人类目所知的物理法则会土崩瓦解。爱因斯坦告诉了我们重力会弯曲空间,使其变形。

所以如果一个物体的密度足够大,时空就会变形卷起来,并在现实中挖一个大洞,也就是我们说的黑洞。一颗燃烧殆尽的恒星的密度会变得巨大,它在自身的重量下就会向内塌缩,连带着时空一起被卷了进去。这种情况下,引力场会变得非常大,大到连光也无法逃脱出去。此时原来恒星所在的地方就会变得漆黑一片,形成了一个黑洞。这些你都知道?那我们来说说一个叫“事件视界”的东西。

这是黑洞的外部边界,而正是到了“事件视界”这个地方,黑洞的引力恰好抵消了光线逃离黑洞的能力。也就是说,这个边界以内,光就逃不出去了。“事件视界”充满着能量、十分耀眼。在黑洞边缘的量子效应产生的热粒子会被辐射回宇宙。我们称这个效应为“霍金辐射”,以物理学家斯蒂芬·霍金命名。霍金教授还预言,只要时间足够长,黑洞也会将自己的质量辐射殆尽并最终消失。这样看来,黑洞也有弱点啊。

了解了黑洞边缘的知识,现在我们走进黑洞里面看看。越往黑洞深处走,空间变形得就越厉害,到了黑洞的中心,空间就会变得无限弯曲,而这就是“奇点”。在奇点上,时间和空间不再具有意义,而那些曾经依仗着时间与空间的物理法则也不再适用。没了时间和空间,那儿到底有什么呢?告诉你个秘密:没有人知道。说了这么多,那掉进黑洞究竟是什么样的体验呢?我们先从第三人视角看看你掉进黑洞时会变成什么样吧。

假设陪你一起进行星际之旅的是小红,不过小红却幸免于难,在黑洞外静静地观察着你掉进黑洞的整个过程。而她观察到的景象也十分离奇。在你加速接近事件视界时,小红会看着你被拉伸扭曲,就像哈哈镜似的。可是当你逐渐抵达事件视界时,她看到的你就都是慢动作了。你当然没法对着她喊救命,因为太空里没空气。但是你可以试试用手机的光给她发个莫尔斯码。你的消息的传递速度就更慢了,这是因为光被拉伸到了越来越低的频率,接近红光。

而当你真的到达事件视界时,小红看到的你就此定格,就好像被按了暂定的游戏人物似的,永远地卡在了那一帧。在小红看来,你被拉伸的空间、静止的时间和霍金辐射的烈焰慢慢地吞噬了。我们抛开小红的视角,从你的角度看,你又经历了怎样的体验呢?嗯……你其实什么体验都没有。这就是第二个你的故事。

事情是这样的,你经历了世界上最倒霉的坠入体验,而且没有撞到任何东西或经历任何颠簸,你也没有被拉伸、被放慢或是被滚烫的辐射灼伤。这是因为你在自由下落,因此你感受不到重力。虽然掉进黑洞里已经倒霉透顶了,但好在这次你掉进了比较大的黑洞里(要比太阳还大上好多倍)。如果你掉进了一个小黑洞里,那可就真的是倒霉得前无古人后无来者了。因为你脚所承受的重力要远远大过头,也就是说,你会被黑洞的重力拉成面条。

好在这个大黑洞让你的脚和头所受的重力差可以忽略不记,也免去了你被面条化的命运。事实上,掉进大黑洞里还有一个好处,就是在到达奇点之前,你还是可以活得好好的。被拉进黑洞的感觉其实还是可以想象的,这种感觉不是空间上的体验,而是类似于时间上的。因为时间只能向前,不能后退,完全不按我们的意志出牌。掉进黑洞也是如此,无法回头。这不仅仅是个类比。黑洞会在视界里极度地弯曲空间和时间,以至于空间和时间互换了角色。

在某种意义上,其实是时间拉着你飘向奇点。所以你无法转身逃离黑洞,就如同你无法回到过去一样。在这时,你可能想停下来问自己一个问题:“小红到底是怎么回事?如果你在黑洞里活得好好的,那她为什么非说你被烧成灰了呢?她疯了吗?”其实,小红有充分的理由说她自己是对的。从她的角度来说,你确实已经死得透透的了,这不是幻觉,她没准儿还能在宇宙里收拾收拾你的残骸呢。事实上,是自然的法则让小红在黑洞外围看到另一个你的。

这是因为量子力学要求信息不能缺失。所以任何一点能证明你存在的信息都要留在事件视界之外,否则小红所在世界的物理法则就崩塌了。但在另一方面,也是物理法则让你安然无恙地穿越了事件视界而不被烧成灰。不然,你就打破了爱因斯坦的广义相对论。所以,有一个你在事件视界烧死了,另一个你在黑洞里漫游。这还不算完,还有第三个物理法则要求信息不能被克隆。因此,虽然你存在于两个地方,但是世界上只能有一个你。

所以说,是物理法则造就了黑洞内外的两个不同命运的你。你可能听得一头雾水,黑洞还真是个让人头疼的地方。这些物理法则听起来好似一派胡言乱语,难怪物理学家们会把这种现象叫做“让人火冒三丈的黑洞信息悖论”。可到底哪个现实才是真的呢?你是准备好英勇就义了呢,还是潇洒地在黑洞里活呢?这个问题也是量子力学与广义相对论的一场对决。

物理学家们已经试图调和对广义相对论与量子力学超过一个世纪了,而且大家都知道一方最终会败阵。解决黑洞的信息悖论会告诉我们哪一方才是胜者,甚至把我们带到关于宇宙的更深层的理论中去。不过现在,对黑洞这事儿,我们还没有一个明确的答案,也许未来是在等着你去揭秘呢。

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