解讀黑洞的本質,或許隱藏著宇宙終極奧秘

奇幻之旅-神祕探索
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61 觀看·2024年1月5日
黑洞,堪稱宇宙中最詭異的天體。我們先來看一下黑洞到底是如何形成的。
黑洞是一種令人恐懼的天體,其基本特徵包括極大的質量和引力,以及一個被稱為奇點的無限密度的點。黑洞的引力極強,甚至連光都無法逃脫,因此它們無法被直接觀察到,只能通過它們對周圍物質和光線的影響來推斷它們的存在。黑洞的中心是一個奇點,其密度無限大,而空間和時間在奇點處崩潰,形成了所謂的“奇異點”。由於黑洞的強大引力和奇異性質,它們成為了許多科幻小說和電影的靈感來源,也成為了科學家們研究宇宙和天體物理學的重要領域。
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黑洞堪稱宇宙中最詭異的天體
我們先來看一下黑洞到底是如何形成的
在地球上生活的我們每時每刻都能感受到引力
地球強大的引力束縛着每一個人
但或許你不知道引力其實是一種非常弱的力
自然界存在四種基本作用力
它們分別是強力、弱力、電磁力和引力
這四種作用力當中
引力是最弱的而強力是最強的
如果引力的強度是1
實際上直觀上我們也能體會到引力很微弱
地球的質量達到了60萬億噸
但如此大的質量對你造成的引力其實也不是太大
你也可以輕鬆跳起來
而跳起來的過程其實就是
對抗整個地球對你的引力
再比如說你可以輕鬆舉起一個嬰兒
你可能不知道在你舉起嬰兒的過程
也是對抗整個地球對嬰兒的引力
不過雖然引力很弱
你想要擺脫地球引力的束縛也是不容易的
不管你跳多高多遠
你會發現自己總會落到地面上
除非你的速度足夠快
比如說達到第一宇宙速度每秒7.9千米
就會圍繞地球旋轉
或者說速度更快每秒11.2千米
就會逃離地球的引力束縛飛向遙遠的太空
這就是地球的逃逸速度
而且一個天體質量越大密度越高
逃逸速度也會越大
而黑洞就是這麼一個天體
一個密度達到某個極端的天體
結果就是黑洞的逃逸速度比光速還要高
而我們的宇宙裏沒有什麼事物的速度能超過光速
所以任何事物一旦靠近黑洞
就會被徹底吞噬無法逃脫黑洞
這也就是黑洞名字的由來
通俗來講黑洞只吃不吐
連光線都無法逃脫黑洞的母長
所以黑洞看起來完全是黑的
而每個黑洞都存在世界世界
這個世界的大小與黑洞質量大小息息相關
世界世界就是黑洞的邊界也可以這樣通俗理解
沿着世界世界如果以光速飛行
恰好不會被黑洞吞噬
只要比光速慢一點
就會被吞噬
而只要速度比光速大就能逃出黑洞
如果你不斷靠近黑洞會發生什麼呢?
由於黑洞的引力巨大
即便很小的距離差
也會感受到引力會有明顯差異
所以如果你的腳更靠近世界世界
意味着黑洞對你的腳的引力
比頭部感受到的引力更大
而且大得非常明顯
結果就是你會被拉長
科學家們稱其爲意大利麪條化
也就是說你會徹底被撕碎
那麼問題來了
當你被黑洞徹底吞噬之後
最終會到達哪裏呢?
愛因斯坦的廣義相對論是這樣詮釋的
黑洞的中心最終會坍縮爲一個
體積無限小
密度溫度無限高的點也就是起點
實際上黑洞其實就是起點
也就是說黑洞就是一個無限小的點
如此說來
黑洞就應該是沒有體積的
沒有大小的
那麼爲什麼通常會說黑洞有大小呢?
這是因爲我們通常所說的黑洞大小
其實指的是黑洞是件世界的大小
這個大小與黑洞質量有直接關係
起點到底是一個怎樣的存在方式?
簡單講起點就是時空的終結之處
時間和空間在起點完全失效
事實上不僅僅是在起點
一旦越過黑洞的事件
世界時間和空間就失效了
也就是說
嚴格來講
黑洞並不屬於我們思維時空裏面的東西
而應該屬於高維度的東西
尤其是起點
很多科學家認爲
起點完全就是超時空的產物
超時空到底是什麼?
這又是另一個很大的話題了
不少科學家相信
宇宙大爆炸瞬間的起點就是超時空的產物
這裏就不展開講了有點玄乎
黑洞只是愛因斯坦廣義相對論的預言的一種天體
長時間以來
科學家們並沒有發現黑洞存在的證據
而在2019年經過不懈努力
天文學家們終於拍攝到了黑洞的照片
事實上在那之前的2015年
科學家們已經間接找到了黑洞存在的證據
那就是引力波
準確來講是2015年9月14日
在人類科學史上是里程碑的一天
因爲在這一天
天文學家們終於捕獲到了引力波意義重大
引力波通俗來講就是時空聯一
在大約13億年前
質量是太陽質量的30倍的兩個黑洞互旋旋轉
旋轉過程中發生了碰撞
要知道黑洞質量和密度都很大
所以碰撞異常猛烈
碰撞瞬間產生了超強的衝擊波
甚至完全破壞了周圍的時空結構
引起強大的時空聯一以光速向周圍傳播
時空聯一也就是引力波
在2015年9月終於到達地球
說來一瞧引力波到達地球的那天
天文學家們正好啓動了捕獲
引力波信號的精密探測器
於是人類歷史上第一次捕獲到了引力波信號
而在那之後的幾年時間裏
天文學家們相繼捕獲到了好幾次引力波信號
包括中子星碰撞產生的強力引力波
其實愛因斯坦早在1915年就通過它的
廣義相對論預言了引力波的概念
然後天文學家們用了100年時間
才找到了引力波存在的證據
剛纔說了引力波就是時空聯一
就像我們在水裏扔一塊石頭會引起水的聯一一樣
水波在向周圍傳播的過程中
會慢慢變弱消失
而引力波也是如此在穿越數億光年的距離
來到地球之後引力波其實已經非常微弱了
當時用於探測引力波的是激光干涉引力波天文臺
是由兩根4000米長的真空管組成的
敏感度和精密度非常高
可以探測到質子直徑1萬分之1的距離改變
如此微弱的變化
舉個例子就明白有多靈敏了
地球距離比林星大約4.3光年
也就是大約40萬億千米這麼遙遠的距離
如果變長或者變短一根頭髮絲的直徑
也能被人類探測到
引力波的發現其實已經間接證明了黑洞的存在
那麼黑洞具體會對周圍的時空造成什麼影響呢?
根據愛因斯坦的廣義相對論
大質量天體會影響周圍的時空結果
具體來講就是質量越大密度越大
對周圍時空的扭曲程度越高
也就是說黑洞扭曲的不僅僅是時間
還有空間扭曲的是我們所在的四維時空
更可怕的是
黑洞可以把周圍時空扭曲到極限
最明顯的就是黑洞對時間的扭曲
我們都知道速度越快時間就會越慢
事實上引力同樣也會影響時間
引力越強時間就會越慢
科學家們早就證明了這點
天上飛行的衛星必須進行定期校正
否則上面的時間與地面時間就會不一致
導航系統也會徹底癱瘓
而校正的就是速度和引力對衛星時間的影響
雖然速度和引力對衛星時間的影響比較小
但由於導航系統對時間的精準度要求很高
所以不容有絲毫差錯
而由於黑洞引力巨大對時空的扭曲更明顯
所以在黑洞附近時間流逝的也會更慢
著名科幻電影《星際穿越》中就有類似故事情景
男主人公在黑洞附近逗留了僅僅一小時
回到地球發現地球時間已經過去了七年之久
當我們不斷靠近黑洞時間就會變得越來越慢
當到達世界的那一刻時間就停止了
當然時間停止只是相對外部時間
假如你能抵抗黑洞強大的引力
不被撕碎成功活下來
你自己並不會感覺到時間變慢
前提是你不去觀察黑洞之外的世界
如果你一直觀察黑洞外部世界
你會發現隨着你越來越靠近黑洞世界世界
外部世界的時間流逝速度越來越快
當你無限接近世界世界時
你自己的時間僅僅過去了一秒
外部世界就過去了無限長的時間
你會看到漫天繁星在一瞬間就全部熄滅了
然後甚至連宇宙也要走向終結了
既然連宇宙走終結了
你怎麼會存在呢
這就是一個看起來非常讓人無法理解的地方
在很多人眼裏
黑洞顯然屬於宇宙的一部分
如果宇宙終結了
黑洞當然也不可能存在
你就更不可能存在了
但是就如開頭所說
我們通常所說的宇宙指的是四維時空
但嚴格來講黑洞並不屬於四維時空
當然也不屬於我們的宇宙
也就是說黑洞完全就是我們想象不到的存在方式
接下來還有更瘋狂的
宇宙中不僅僅存在黑洞
還可能存在白洞
從名字上就能看出來
白洞的性質其實是與黑洞相反的
黑洞能吞噬一切靠近的物體
任何物體都無法從黑洞中逃出來
而白洞恰恰相反
任何物體都無法返回白洞
通俗理解就是黑洞吞噬一切
而白洞只吐不吃
有科學家甚至提出了這種瘋狂的觀點
黑洞與白洞看起來完全相反
事實上兩者息息相關
黑洞與白洞是有機的整體
兩者通過蟲洞連接起來
根據愛因斯坦的廣義相對論方程
可以得出一種結果
存在一種叫做蟲洞的結構
也被稱爲愛因斯坦羅森橋的隧道
被黑洞吞噬的物體會穿越蟲洞隧道
然後被白洞吐出來
這種觀點實在有些瘋狂
讓很多人都難以接受
實際上仔細想想也並不難理解
剛纔說了黑洞可以無限扭曲時空結構
結果就是完全撕裂時空
在時空結構中創造出一個洞
也就是所謂的蟲洞
由於黑洞無限拉伸時空最終來拉伸到哪裏呢
無限的概念我們很難描述
根本不可能具體去理解
無限遠的地方是哪裏呢
答案可能也很簡單
黑洞會無限拉伸時空
在時空結構中形成一個封閉的時空曲線
最終可以回到原點
這就會形成一個類似超空間的結構
提到黑洞不得不提及這名物理學家史蒂芬·霍金
他提出了一個著名的概念
霍金輻射
剛纔說了黑洞會吞噬一切靠近的物體
那麼黑洞會不會死亡呢
會通過什麼樣的方式死亡呢
答案就是霍金輻射
何爲霍金輻射
可以這麼簡單理解根據量子力學
黑洞附近的真空會隨機衍生出來虛粒子對
這些虛粒子對通常情況下會瞬間湮滅消失
但某個偶然的機會
虛粒子對中的一個虛粒子墜落到了黑洞中
被黑洞吞噬而另一個沒有被吞噬的
虛粒子該如何存在呢
由於找不到自己的同伴
另一個虛粒子就會逃逸到太空成爲實體粒子
而向外逃逸的過程其實
就相當於吸收了黑洞的能量
也就是說黑洞在慢慢蒸發能量
這就是霍金輻射
當然虛粒子堆一般不會墜落到黑洞中
所以霍金輻射的過程是相當漫長的
需要極其漫長的時間才能讓一個黑洞蒸發完畢
比如說一個普通黑洞大約需要
2的67次方年才能最終蒸發完畢
但這也表明了黑洞其實並不完全是漆黑一片
也會向外輻射出非常微弱的能量
如此微弱以至於我們根本探測不到
那麼科學家們如今能準確描述黑洞的特性嗎
很抱歉如今人類已知的所有的
物理法則在黑洞面前都會失效
包括偉大的相對論和量子力學
相對論統治着宏觀世界
而量子力學統治着微觀世界
按理說兩者總應該能詮釋黑洞的本質
但事實並非如此
爲什麼
因爲從廣義相對論角度來講
黑洞就是大質量天體
但是當科學家試圖用廣義相對論
詮釋黑洞時
他們遇到了難題
雖然廣義相對論可以詮釋黑洞的質量
但黑洞無限扭曲時空讓廣義相對論很苦惱
該如何理解無限扭曲時空
還有量子力學
雖然準確描述了微觀世界的運行規律
但一個體積無限小的起點
也讓量子力學徹底癱瘓
量子力學對無限小的概念無能爲力
無限小並不屬於微觀世界的概念
於是科學家們試圖找到一種萬物理論
能統一廣義相對論和量子力學
最終詮釋黑洞的本質
但至今爲止都沒有發現這樣的萬物理論
科學家們一度提出了弦理論和圈量子引力理論
尤其是弦理論讓很多科學家們癡迷
弦理論認爲萬物都是由
基本的極其微小的弦組成的
這些弦有閉合的也有開放的弦是振動的
振動形式的不同
就會形成不同的基本例子
要把弦理論準確描述出來
涉及極其複雜的數學計算繪色難懂的公式
甚至只有在九維空間裏才能成立
除了我們所在的三維空間
其它維度都捲曲在微觀世界我們很難察覺到
弦理論似乎讓科學家們看到了萬物理論的希望
但弦理論也有一個致命弱點它很難被證明
更多的只是停留在複雜數學推導的層面
當然也有科學家的觀點更大膽
認爲黑洞其實不屬於我們的世界
通過黑洞可以到達另一個世界
另一個宇宙甚至高維度時空
這種觀點看似瘋狂其實也是有一定道理的
畢竟我們已經知道黑洞並不屬於四維時空
如此說來它一定屬於更高的維度
無論如何科學家們堅信
黑洞裏一定蘊藏着更深的奧祕
甚至蘊藏着我們世界的本質
