黑洞是什么?揭开黑洞的神秘面纱

 生活杂谈     |      2020-01-15 16:51
就在今天晚上九点,人类历史上第一张黑洞照片就要诞生。 全球多个地区的望远镜组成的“事件视界望远镜EHT”将第一次为人们揭开黑洞的神秘面纱。
黑洞是什么?简单来说,黑洞是根据爱因斯坦广义相对论求出的一个解:在宇宙中存在这样一个特殊的天体,它的质量密度极大,就算光都无法脱离它的引力。在靠近黑洞时, 时间将会停滞甚至倒流。而在黑洞中央,会有一个任何物理规律都无法解释的“奇点”。
著名物理学家霍金就以研究黑洞著称。一年前霍金去世时我曾经做了一期关于黑洞的介绍视频,时隔一年多,人类终于要给黑洞拍照片了,我再将这个视频发出来,以纪念这位伟大的物理学家。
以下为《十分钟智商运动》中关于黑洞的文章

揭开黑洞的神秘面纱
1从爱因斯坦到霍金
剑桥大学卢卡斯数学教授史蒂芬霍金在2018年3月14日去世了,这个日子正是爱因斯坦诞辰的日子。霍金21岁时因为患病全身瘫痪,不能言语,手部只有三根手指可以活动。但是在这样的情况下,他凭借惊人的毅力提出了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理,提出了黑洞蒸发理论和无边界的霍金宇宙模型,同时也凭借科普著作《时间简史》《果壳中的宇宙》等成为世界科普大师,去世后,霍金被安葬在伦敦西敏寺牛顿的墓旁。
霍金研究一生的黑洞到底是什么呢?为了了解这个问题,我们首先必须回到爱因斯坦。
爱因斯坦的主要贡献是解释了光电效应、提出了狭义相对论和广义相对论。这些贡献中又以广义相对论最为精彩,他是继牛顿和麦克斯韦之后人类认识世界的第三次飞跃,是我们研究宇宙的有力工具。现代宇宙学的基本观点:大爆炸理论、宇宙膨胀、黑洞、引力波等问题,无一不是通过爱因斯坦广义相对论进行解释的。
在广义相对论中,爱因斯坦把牛顿的“质量引起引力重力场“的观点引申为质量引起时空弯曲,并通过时空弯曲求解物体的运动规律。例如:牛顿认为:地球围绕太阳运动是因为太阳对地球有万有引力,但是广义相对论却把这个过程解释为太阳的质量很大,引起了周围空间的弯曲。地球的圆周运动,在这个弯曲空间中实际上是一条“直线”。
在这个理论里面爱因斯坦提出了引力场方程:
这个方程看起来不复杂,但它是个张量方程的简化写法,整个展开非常麻烦。通过求解这个方程,一些科学家得到了一些很惊艳的结果。
例如:德国天文学家史瓦西通过计算,得到了引力场方程的一个特殊解。
他发现:这个解很奇异,有很多奇妙的性质。他就把这个解叫做黑洞,并指出宇宙中可能存在这种比较奇怪的天体。宇宙中究竟有没有黑洞呢?人们开始了一个世纪的寻找,直到今天人们依然把黑洞的存在定性为“可能”。
那么霍金又做了什么呢?
霍金对这个解又进行了一些尝试,在爱因斯坦广义相对论基础之上又引入了量子场论,并通过量子场论的分析,对黑洞的性质进行了更加详细的描述。比如霍金提出了奇点理论、黑洞蒸发理论、证明了黑洞面积定理等等。霍金的数学功底非常强,他的理论都是通过完美的数学表达式得到的结果。但到目前为止,以上的理论还只是推测。黑洞是否真的存在,还是一个谜。霍金也没有因此获得诺贝尔奖。
2神奇的黑洞
黑洞到底有哪些神奇的性质呢?
首先,黑洞质量非常大,以至于连跑的最快的物体--光都无法逃逸。为了理解“逃逸”这个概念,我们从比较经典的例子出发,讨论一下宇宙速度。
牛顿曾经说:一个炮弹在地面发射,如果速度比较慢,就会落回到地面。
如果速度达到一定值,就不会落地,而是环绕地球运动。这个速度称为第一宇宙速度,它的大小是7.9千米/秒。
如果这个速度继续增大到11.2千米/秒,物体就再也不会回到地球,而是逃逸到无穷远处,这个速度也就被称之为逃逸速度。
在经典物理里,逃逸速度与星球质量和半径有关:
其中G是万有引力常数,  M是星球的质量,R是星球的半径。
我们会发现,如果星球的质量M越来越大,而星球的半径R越来越小,逃逸速度V就会增大。如果这个速度增大到光速c,那么任何物体都无法逃脱星球的引力了。
于是,我们利用公式
得到
这个半径大小就称为史瓦西半径。也就是说,如果一个星球半径小于史瓦西半径,就连光也逃不出去。
其实,以上只是一个类比过程,史瓦西半径是从广义相对论那个非常复杂的方程得到的,但是恰巧结果与经典物理的表达式完全一样,为了便于大家理解,我们才姑且这样处理。
如果我们把地球质量
代入,就会得到地球的史瓦西半径R=0.01m。也就是说如果把地球压缩成一个乒乓球大小,地球就会变成黑洞。
3视界和奇点
黑洞最引人入胜的地方是它会造成强烈的时空弯曲。时空弯曲的概念不太好理解,我们从一个简单的例子来说明:
假如有一个引力很大的天体构成了黑洞,那么它的外界有一个圆圈:视界,其半径大小就是史瓦西半径。在视界之外,物体还有机会逃逸黑洞,但是一旦进入视界,即使以光速运动的物体也无法逃脱黑洞。
假设有一个人A在匀速接近黑洞,A会认为自己在匀速直线运动。但如果在遥远处有一个人B观察,他的感觉却与A不同:在B看来,A的速度越来越慢。最终当A接近视界边缘的时候,B就会发现A静止不动了。在B看来A永远都不会进入视界,而是会成为一座在视界边缘的丰碑。这就是引力造成的时间变慢效应:距离黑洞越近,时间越慢。
不仅仅是黑洞,大质量物体都会造成周围的时间变慢,大家应该看过一部科幻电影《星际穿越》的一个场景:几个宇航员到一个星球仅仅停留几小时,而在外围空间轨道等待他们的宇航员却在飞船上呆了20多年。
回到黑洞问题,在A自己看来,他是可以进入视界的。而且当A进入视界之后,就再也出不来了,因为即便他以光速运动,也无法从视界逃逸。视界内的所有现象都和视界外无关,视界内的任何信息都无法发送到视界外,所以我们可以说视界内和视界外是两个世界。
更为有趣的是,在黑洞外,时间是单向的,空间是双向的。也就是说,人不能回到过去,但是可以往前运动,也可以往后运动。不过,在黑洞里面,由于时空扭曲得特别厉害,时间会变成双向,可以回到过去。但空间却变成单向的了,不能往回走,物体只能向前,向着黑洞中的一个点——奇点运动。
奇点是黑洞中心一个密度无穷大的点,在这个点上一切物理规律和数学规律都失效了,类似于用一除以零这个表达式。所以我们才称之为“奇”点。
在物体靠近奇点的过程中,距离奇点越近引力差越大,最终物体会由于两端受力差太大而被撕裂。
黑洞如此奇妙,吸引了无数科学家的目光。但是黑洞不会发出任何光,我们怎么寻找它呢?霍金预言:黑洞视界附近可以产生正负物质对,正物质放出形成霍金辐射,负物质被吸进黑洞造成黑洞质量损失,这个过程称为“黑洞蒸发”。所以根据霍金的理论,人们认为黑洞也存在寿命,而且可以通过观察霍金辐射来寻找黑洞。
我们如果想销毁一份文件,可以用碎纸机把它剪碎,再用火烧掉纸屑,但即便这样,理论上信息并没有消失,如果我们使用巧妙的方法进行还原,还是可以读到原来的信息。但是黑洞不是这样,它吞噬的所有信息都会永远消失,虽然黑洞在蒸发,但是黑洞的蒸发是不携带任何信息的。黑洞是宇宙的超级碎纸机。黑洞理论依然是宇宙学中最神奇的内容,期待着更多科学家进行讨论。
李永乐
李永乐老师:北京大学物理与经济双学士,清华大学电子工程硕士;北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年,培养清华北大学生200余人,国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。