科學好故事|黑洞生存指南
2021年06月19日09:34

  來源:arstechnica

  作者:PAUL M SUTTER

  翻譯:任天

  宇宙中有無數的黑洞,最近的黑洞距離我們約1500光年,而在銀河系的中心,座落著一個被稱為人馬座A*(Sagittarius A*)的超大質量黑洞,距離我們大約25000光年。通常情況下,太空旅行者可能會嚐試在平靜的G型主序星(光譜型態為G,發光度為V的主序星,質量約為0.8至1.2太陽質量,表面有效溫度為5300至6000K)周圍尋找家園,但一些足夠勇敢的星際居民或許會冒險前往黑洞周圍,尋找理想的庇護所。在黑洞附近定居肯定不容易,但這也意味著你幾乎肯定會比其他人更瞭解時空的本質。

  感興趣嗎?如果你想在黑洞周圍安家,以下指南或許能為你提供參考。祝你好運!

  關於黑洞的基本知識

  在第一次抵達黑洞附近時,你很可能會被它的極度“無聊”所震撼。黑洞本身就是一個懸在遙遠宇宙中的黑色球形物,深不可測,難以理解。它們就在那裡,什麼也不做,依靠自身的質量發揮著引力作用。事實上,黑洞是出了名的容易被忽略,除非它們主動吞噬物質,或者碰巧擋住了背景中的恒星光線,否則你根本看不到它們。一旦確定黑洞所在的位置,你就可以開始行動了。

  黑洞的大小由其質量決定的。1915年,德國天文學家卡爾·史瓦西首先針對廣義相對論的核心方程——愛因斯坦場方程——推導出了關於球狀物質分佈的解——史瓦西度規,又稱史瓦西解。這樣的解又可被稱為史瓦西黑洞,該天體的半徑也以他的名字命名,即史瓦西半徑。最小的黑洞,其史瓦西半徑不會超過一做中等城市的長度,而最大黑洞的史瓦西半徑則可以包含整個太陽系。

  史瓦西度規在物理學上可以對應任何球對稱星球外部的時空幾何,因此常用於近似旋轉緩慢(遠低於光速)的天體的引力場,如恒星、行星等。對於黑洞,球體本身就代表了其事件視界。在事件視界內,引力會變得異常強大,以至於任何東西,包括光,都無法逃脫。黑洞的引力會不斷地將時空拉向自己,這種拉力是如此之大,以至於在事件視界上,時空本身會以比光速更快的速度被拉進去。此時此地,如果你想逃跑的話,就必須對抗時空的極流。當然,你不可能做到這一點,最終還是會被困在裡面。

  不過,在怪異的事件視界之外,黑洞就顯得“正常”很多,許多物體都會圍繞其運轉。引力就是引力而已,太陽對我們的引力完全取決於太陽的質量,黑洞也是如此。如果用一個質量與太陽相當的黑洞來代替太陽,那太陽系的行星運行軌道將完全不受干擾(當然,地球上所有的動植物都會死掉,但那是另一個問題了)。

  只要離黑洞足夠遠,你就不會感到有什麼異常。如果願意,你可以永遠保持在一個環繞黑洞的穩定軌道上。那麼,對於任何想居住在黑洞附近的人來說,究竟距離多遠才算“足夠遠”?我們可以計算出這一距離,即所謂的“最內層穩定圓軌道”(innermost stable circular orbit,簡稱ISCO)。對於一個簡單的、不旋轉的黑洞,其ISCO是史瓦西半徑的三倍。在這個距離以內,圍繞黑洞運行的穩定圓形軌道是不可能存在的,你要麼被拋入外部空間,要麼墜入事件視界之內。

  對於更現實的旋轉黑洞,ISCO就很難計算,因為這取決於黑洞旋轉的速度,以及你所處的軌道是隨著黑洞旋轉(順行),還是反其道而行(逆行)。不過,一般來說,只要距離黑洞大於10倍的史瓦西半徑,就沒什麼問題。

  光榮屬於引力

  儘管黑洞本身看起來很無聊,但它們周圍的一切卻絕非如此,因為黑洞只做一件事:吸引周圍的物質。

  無論黑洞的大小如何,圍繞其進行軌道運動的瀰散物質都傾向於形成吸積盤;事實上,幾乎所有大質量緻密天體(如中子星)都涉及吸積盤。當氣體和塵埃進入黑洞附近時,角動量守恒將這些物質擠壓成一個又薄又平的圓盤。這種物質可以來自任何地方:隨機的星際氣體雲、附近天體的大氣,甚至是其他恒星被撕裂後的殘骸。無論來自何處,這些物質都會被黑洞的引力撕碎,碎片會沿著一條向內螺旋的的路徑,即“拉伸線”(tendex line),進入事件視界張開的大口。

  黑洞周圍環境的活動劇烈程度取決於黑洞本身的質量。到目前為止,最常見的黑洞類型相對較小,只有幾倍的太陽質量。如果一個如此規模的黑洞恰好有一顆伴星圍繞其運行,當這顆伴星離得太近時,黑洞就會吸走它的大氣層。氣體在接近相對較小的黑洞時,必須壓縮才能進入,就好像有太多的人要同時擠進一部小電梯。當氣體被壓縮時,其溫度不斷升高,最終熱得足夠發出X射線。

天鵝座X-1黑洞藝術概念圖,正在吸食藍星的物質
天鵝座X-1黑洞藝術概念圖,正在吸食藍星的物質

  通過觀測宇宙中X射線源的觀測,天文學家發現了天鵝座X-1(Cygnus X-1),這是最先被廣泛承認為黑洞的候選星體,估計其質量為太陽質量的14.8倍。由於其具有極高的密度,使得黑洞成為唯一合理的解釋;若是如此,它的事件視界半徑約為26公里。

  質量最大的一類黑洞被稱為超大質量黑洞,堪稱宇宙中的“怪物”,其規模常常超過數億甚至數十億倍太陽質量。吸積過程的物理作用也同樣存在於超大質量黑洞周圍,只不過是按比例適當地放大。在這些黑洞周圍,吸積盤的溫度可以達到100萬開爾文。在這樣的溫度下,吸積盤所發出的輻射足以讓數百萬個星系加起來都黯然無光。

  對於任何潛在的訪客而言,這些吸積盤既是詛咒又是祝福。如果你想在一個黑洞周圍建立自己的營地,你就必須用到吸積盤的能量;因為如果這個圓盤不存在的話,黑洞本身並不會提供任何形式的光。當然,黑洞周圍有著強大到足以撕裂恒星的引力,吸積盤內的電場和磁場也差不多是整個宇宙中最強的,因此當你打算在這種地獄般的環境中生存時,會發現可用的能源異常充足,足以供幾代人使用。

  然而,即使是沒有吸積盤的黑洞也能為你提供能量來源。這個過程被稱為彭羅斯機製(Penrose mechanism),又稱彭羅斯過程,是由諾貝爾獎得主、物理學家羅傑·彭羅斯推理出的一個過程。儘管該過程只適用於旋轉的黑洞,但問題不大。黑洞通常是在大質量恒星死亡時形成的,而恒星一直在旋轉,動量會轉移給黑洞。因此,宇宙中並不缺少旋轉的黑洞。

  彭羅斯機製利用了旋轉黑洞的一個特殊區域:能層。旋轉物體拖拽著周圍的時空,所有物體都會如此,因為這是引力的正常作用。能層位於黑洞的事件視界之外,形狀呈扁球體,是一個不斷移動的時空區域,被黑洞沿著自身轉動的方向拖拽著。

  彭羅斯發現,如果把一個物體扔進能層,使其分裂,就可以提取黑洞的能量。在物體分裂之後,有的碎片會掉進事件視界,從此消失不見;另一些碎片則仍然可以逃逸出去,脫離能層。逃逸出來的部分會從旋轉的時空中獲得推力,從而將旋轉黑洞的能量轉移出來。在通過彭羅斯機製吸取能量的過程中,黑洞的旋轉會變得越來越慢。當然,你不能永遠這麼做(最終會使黑洞停止旋轉),但鑒於黑洞在彭羅斯過程中能將物質噴射到數萬光年遠的地方,可以不用擔心能源枯竭的問題。

  如果來自吸積盤或彭羅斯機製的能量不夠,你還可以利用黑洞的另一個特性:極端的引力。當光落入黑洞時,其能量會在接近事件視界時上升,就像一個球從山上滾下來時開始加速一樣。如果你能在事件視界上方逗留的話,你就將沐浴在高能輻射中。

一顆恒星正在被超大質量黑洞的強大引力所破壞(想像圖)
一顆恒星正在被超大質量黑洞的強大引力所破壞(想像圖)

  生活在黑洞邊緣

  然而,事件視界上方不可能有穩定的軌道供你逗留,因此這種方法有優點,也有缺點。你可能會用到現代物理學中一些最神秘問題的解,但也可能面臨死亡。

  和往常一樣,問題的關鍵在於引力。黑洞周圍的引力環境與恒星或行星周圍的引力環境並沒有太大的不同。質量就是質量,引力就是引力。黑洞之所以如此怪異,原因就在於其質量的分佈;或者更確切地說,在於其質量的“不分佈”。根據愛因斯坦的廣義相對論,我們首先確定了黑洞的存在,而且最初形成黑洞的一切“原料”,以及黑洞自誕生之後吸收的一切物質,都集中到了黑洞中心的一個極小區域,一個0維的幾何點,即奇點(singularity)。

  根據廣義相對論,奇點具有無限的密度。這顯然是錯誤的,但我們暫時放著。在極端的濃縮質量下,引力效應會變得超乎想像。以潮汐力為例。月球對地球的引力導致了潮汐力:離月球較近的海洋受到額外的拉力,將其向上拉,而離月球較遠的海洋受到的拉力比平均水平小,最終導致地球上的海洋會隨著月球而起伏。

  黑洞也能施加潮汐力,這也是它們能夠撕裂離得太近的恒星的原因。如果你掉進一個恒星質量的黑洞,潮汐力甚至會在你到達事件視界之前把你撕成碎片。然而,對於超大質量黑洞,你在接近事件視界時實際上可能注意不到潮汐力:無窮大密度的奇點離事件視界足夠遠,其潮汐力可以忽略不計。

  根據廣義相對論,事件視界並沒有什麼特別之處。沒有邊界,沒有標誌,也沒有閃光。如果你生活在那裡,會發現食物嚐起來和平時沒什麼兩樣;只有你試圖轉身離開時,你才會意識到自己掉進了一個黑洞,已經被永遠困在那裡。

  然而,關於事件視界,除了從廣義相對論中學到的東西以外,還有更多的問題需要解決。而當我們用量子力學的工具來研究事件視界的微觀本質時,一切都失控了。

1979年10月,斯蒂芬·霍金在普林斯頓大學
1979年10月,斯蒂芬·霍金在普林斯頓大學

  斯蒂芬·霍金在20世紀70年代發現,事件視界可以分離在宇宙的量子泡沫中自發產生的粒子對。這就導致黑洞並不是“100%的黑”,而是在緩慢地發射輻射(每年不到一個光子),最終會完全蒸發掉。

  這一認識催生了一個悖論。在霍金最初的理論中,黑洞發出的輻射是熱輻射,只不過是隨機的噪聲。但另一方面,我們也從量子力學中知道,信息不能被複製或銷毀——我們總能從信息的最終狀態重建初始狀態,反之亦然。因此,如果把一堆信息扔進一個黑洞,它所發出的輻射將是完全不含信息的,而黑洞會最終消失……這些信息發生了什麼?

  關於這一黑洞信息悖論,有研究者提出了一個名為“黑洞火牆”的假說。在這個高度推測性的假說中,事件視界遠不是另一個無聊的空間,而是一堵灼熱的量子能量牆。這些能量能將掉進黑洞的任何東西撕碎,並在燒成碎片的同時將其信息內容保持在事件視界上。霍金輻射仍繼續進行,只不過是以一種修改後的形式,慢慢地帶走所有這些信息。

  我們不知道黑洞火牆是否存在。如果它確實存在於事件視界中,那外界的宇宙就無法觀測到它。也許觀察這道火牆的唯一方法就是冒險穿越到事件視界的另一邊。

  超越事件視界

  黑洞的事件視界是宇宙中一個很具體的例子,代表了已知物理學的失效之處——我們只是沒有足夠的複雜性來理解事件視界內到底發生了什麼。不過,如果你的身體能撐過這一關,黑洞內部將有更多的冒險和謎團等待著你。

  黑洞內部的空間與外部的空間沒有任何不同。如果你進入黑洞之前在自由下落,此時會依然自由下落;如果你落入之前剛吃了一口三明治,那此時的你嘴裡還在咀嚼著。但由於極端的引力,你的未來在進入黑洞時會受到更多的限製。

  簡而言之:條條大路通奇點。現在,黑洞的奇點就存在於你所有可能的未來。無論你如何移動或轉彎,奇點總是會出現在你面前,而且一直在變得更大。

  當然,奇點本身仍然是一個無限小的點,但由於極端的潮汐力,你對周圍世界的感知是強烈扭曲的。落在你身後的光線會被壓縮成圍在腰部的一條細帶;在你面前,奇點拉長,變成一個黑色的世界,最終會成為一個毫無特徵的黑色平原。

  在碰到奇點之前,潮汐力會將你摧毀,並且會在很短時間內完成這一過程。你確實可以在一個巨大的黑洞中生存,但只能維持一小段時間。到達奇點的時間取決於黑洞的質量:對於恒星質量的黑洞,這段時間只有幾微秒;對於超大質量黑洞,你則有幾秒鍾的時間來揭開宇宙最深的奧秘(並思考自己的命運)。

  事實上,你沒有任何選擇。無論你做什麼,你都會到達奇點。在黑洞之外,你可以完全自由地探索空間中的任何方向,但無法避免向自己的未來前進。在黑洞內部,每一個可能的運動都會把你引向奇點。你終將無可避免地進入事件視界,也將不可避免地抵達奇點。

  無論黑洞的大小如何,在到達奇點前大約十分之一秒,潮汐力將強大到足以壓倒其他任何已知的力。在到達無窮小的點之前,你會被摧毀,最終原子化。

  至於奇點本身,這也是一個已知物理失效的區域。我們知道,出現在廣義相對論方程中的無窮大是一個信號,表明我們需要一個完整的引力量子理論,來恰當地描述黑洞中心發生的事情。但目前缺乏這樣的理論,因此我們不能確定發生了什麼。

  對於黑洞的最深處,物理學家們的各種猜測層出不窮。如果你真的身處其中,你將直面人類所知最神秘的物理學問題的答案。但遺憾的是,你無法將你所目睹的一切告訴任何人。(任天)

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