深度长文:解读黑洞的本质,黑洞或隐藏着宇宙的终极奥秘!

宇宙时空探索 2024-01-25 14:18:39

爱因斯坦的广义相对论早就预测出了黑洞这种诡异天体的存在,不过长期以来,天文学家们在现实中并没有观测到黑洞。

到了2019年,经过数年不断观测,天文学家们终于拍摄到了人类历史上首张黑洞的照片,一张看起来如此简单的照片,凝聚了天文学家们的心血,同时也再次印证了广义相对论的正确性。

不过,照片中的黑洞其实距离地球非常遥远,远在5000万光年之外,而最近的黑洞距离地球也有上千光年。如此遥远的距离,人类很难近距离观察黑洞直接探测黑洞。更多的时候,天文学家们只能在现有理论的基础上,间接探测黑洞,通过黑洞与周围天体的相互作用获取更多信息。

天文学家们早就知道,黑洞凭借强大的引力能吞噬一切靠近的物体,不过这都不算啥,天文学家们甚至发现了一个更恐怖的事实:黑洞甚至会删除我们的宇宙!

我们需要从头开始说起。

目前我们所讲的黑洞,基本上都是指“恒星”黑洞,也就是说,大质量恒星死亡之后产生的黑洞。

黑洞之所以如此特殊,就在于奇点和事件视界。

所谓奇点,其实就是黑洞本身。黑洞强大的引力把所有物质都压缩到一个无限小的点,这个点没有体积,也就是所谓的奇点。也就是说,理论上讲,黑洞就是奇点,所以黑洞是没有大小的。

而我们通常所讲的黑洞大小,其实指的是黑洞“事件视界”的大小。每个黑洞都拥有自己的事件视界,这个事件视界有大有小,与黑洞的质量有关。具体来讲就是以史瓦西半径为半径,以奇点为圆心组成的球体,球体的边界就是事件视界。

从命名就能够看出,事件视界是“事件”的分界线,一旦越过事件视界,事件本身就不存在了,同时时间和空间也不存在了,相当于那完全就是另外一个世界。

理论上讲,如果一个物体能以光速飞行,在事件视界恰好可以不被黑洞吞噬,但也不能逃离黑洞。通俗理解就是,黑洞的逃逸速度超过光速,而现实中超光速是不被允许的,所以任何物体一旦越过事件视界,就难逃被吞噬的噩运!

不要说光线了,任何信息也都不可能从事件视界内部逃出来。也就是说,理论上讲,无论如何我们都不可能获取黑洞内部的信息。

不过,黑洞边缘会随机上演“霍金辐射”,黑洞也正是通过“霍金辐射”缓慢蒸发的,在极其漫长的时间过后,看似永恒的黑洞也会蒸发完毕。

什么是霍金辐射呢?

简单讲,在黑洞附近的真空环境,会随机上演量子涨落,衍生出虚粒子对,通常情况下,这些虚粒子对会瞬间湮灭。但也会偶尔出现这种情况:某个虚粒子随机掉进了黑洞里,另一个虚粒子由于找不到“另一半”了,就会以实体粒子的形式逃逸到太空。这个过程就相当于黑洞蒸发了。

不过,霍金辐射的过程是相当缓慢的,最大的黑洞需要大约10的1000次方年才能蒸发完毕。

但无论如何,时间会“消灭”一切,包括黑洞。

其实,黑洞通过霍金辐射的方式蒸发,并没有什么反常的。但问题就在于,等到黑洞蒸发完毕之后,那些被黑洞吞噬的物质信息也就不存在了。但是物理定律表明,信息不会无缘无故消失,信息是比物质本身更基本的存在。

举个例子,同样是碳原子,但如果碳原子的组合方式不同,就会得到完全不同的物质,可能是煤炭,但也可能是稀有的钻石。而煤炭与钻石的本质不同就是信息。

还有,如果不断往钻石里添加其他元素,你有可能得到一个苹果,甚至得到一个人也不稀奇。

那么,等到黑洞消失之后,那些被黑洞吞噬的信息是不是也消失了呢?这其实就是黑洞信息 悖论。在科学家们眼里,物质可以消失,但信息绝不会消失。

科学家是如何解释黑洞信息悖论的呢?有几种猜想。

第一,信息当然不会消失,只是有可能以某种不为人知的方式隐藏起来了。隐藏在哪里呢?有可能是另一个宇宙里。科学家们认为,黑洞的另一端可能连接着其他宇宙,被黑洞吞噬的物体信息并没有真的消失,而是在另一个宇宙里,只是我们的宇宙很难直接与其他宇宙互动。

打个比方,这就像你的硬盘里有很多资料,包括各种你喜欢看的电影和电视剧。但一不小心硬盘坏掉了,无论如何都无法读取,你的硬盘就会彻底沦为一块废铁。但其实硬盘里的影视资料仍旧存在,也就是信息仍旧会存在,只是你无法读取那些信息罢了。

第二,信息并没有消失,也没有进入另一个宇宙,而是以某种我们还不知道的方式储存在黑洞的某个地方。因为人类目前已知的所有物理定律在黑洞面前都失效了,意味着科学家们对黑洞的了解其实是非常有限的,黑洞储存信息的方式很可能超乎我们想象。

第三,或许信息真的消失了,而且永远消失了。这种观点看起来太不可思议了,毕竟它违反了大自然法则。但问题就在于,我们信以为真的大自然法则真的是不可动摇的吗?或许人类只了解了大自然法则的皮毛,更高级的物理定律可能完全颠覆我们的宇宙观。

但无论如何,人类很难接受如今的大自然法则被颠覆,因此大多数科学家依旧坚信被黑洞吞噬的信息,大概率以某种方式隐藏了起来,隐藏在哪里呢?

事件视界!

而这种观点其实也被称为“全息理论”,认为黑洞吞噬的物体信息永久地保留在了事件视界上,而黑洞通过霍金辐射会把这些信息都带走。

往深了讲,关于黑洞的“全息理论”其实就是“全息投影”的延伸。

何为全息投影?简单讲就是,在二维平面上制造出三维的假象。现实中这种现象很常见,比如说我们经常用到的信用卡上,就有“全息投影”原理,上面的图像本身确实是二维的,但看起来并不是二维,而是三维的。

而黑洞的事件视界其实也是二维的,科学家们怀疑,黑洞很可能把所有的信息都储存在了时间世界,给我们一个三维的假象。

如果深入探索这个问题,会得到一个让人抓狂的事实。假设人类生活在黑洞里面,我们感受到的三维世界,在黑洞外面来看,我们感受到的三维其实只是事件视界的二维投影罢了。

也就是说,对于生活在黑洞里面的人类来讲,我们当然不可能意识到自己只是二维的编码。

是不是觉得有些疯狂?难道人类生活的世界真的是二维虚拟投影?

当然,以上的观点也只是科学家们的大胆猜想,所以我们也不必过分担心,但无论如何,确实有那么一种可能性。

其实,涉及到黑洞的任何言论目前都要靠猜想,毕竟人类对黑洞的了解认知还非常有限,即便未来某天人类能近距离靠近黑洞,也很难直接获取黑洞内部的信息,除非我们如今已知的大自然法则被彻底颠覆,有一套更高级的物理定理完美诠释黑洞。

这也是科学家们如此执着地探索黑洞的主要原因,因为人类相信黑洞一定隐藏着更深刻的大自然法则,甚至会是通向宇宙终极奥秘的一把钥匙!

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简介:用通俗的语言诠释科学