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宇宙终级奥秘的藏身之所竟是黑洞

信息来源: 文章作者: 发布日期:2016-7-25 阅读次数:
当夜幕降临,人们放眼夜空的时候,我们能看到最遥远、最古老的宇宙,其中隐藏着无穷无尽的奥秘之处。那么,宇宙的终级奥秘藏身何处呢?答案是:黑洞!

宇宙终级奥秘的藏身之所―黑洞
 

现实中还没有其他物体能像它那样有如此鲜明的内外之别。生活在外部的我们只能看到它的外面,任何探测器都无法把它内部的信息带给我们。我们可以发送无线电信息和机器人探测器,但是这些使者一旦越过边界,就再也无法回头了……我们甚至都无法知道它们身上发生了什么。

这就是黑洞。视界是黑洞的边界,但并不是通常意义上的“表面”——它没有实质的分界线——然而却异常真实。视界之外,只要物体的速度足够高,便能挣脱黑洞的引力;而在视界之内,它若想离开,速度必须高于光速,而这是自然法则所禁止的。

从某种意义上来说,视界就是黑洞,因为我们通过任何手段都无法观察到它的内部。大自然把宇宙的终级奥秘隐藏在那里,并用一个只进不出的屏障守护着它。

更让人感觉神秘的是,根据广义相对论——这个我们对引力运作机制的最好解释,黑洞是没有特征的。它们可能诞生自恒星的死亡,也可能诞生自早期宇宙中由大量气体引发的引力坍缩,但结果却是一样的。用化学成份之类的方式来解释它形成的原因是毫无意义的。在宇宙中,黑洞所表现出来的唯一特性是它的质量和转速。

面对这种现象,人们戏称黑洞遵循的是“无毛定理”:不管它内部有什么,视界之外都是光溜溜的。(这个名字是由杰出的物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒创造的,他显然并不是一位对发际线后退敏感的人。)而这个“无毛定理”所呈现的,是一个极具挑战性的谜题:我们无从得知黑洞是删除了它所有的过往历史,“忘记”了它的过去和祖先,还是把这些信息保留在一个我们不知道的地方。假如这些信息已经被销毁,那就违反了量子力学的原理;而如果它们保留了下来,那就需要一个能够超越广义相对论的新理论。

黑洞内部不仅是宇宙中一个无法触及的区域。它还是许多极端物理学的实验室:最强的引力和最活跃的量子过程。正因为如此,物理学家对黑洞内的一切都极为感兴趣,即便缺乏直接的实验或观测手段来验证他们的观点。

不管内部有什么,视界之外都是光溜溜的。

我们无法穿透视界光溜溜的“脑壳”,但这并不意味着我们对黑洞内部一无所知。不管科幻作品里怎么说,我们可以确定的是黑洞内并没有连接另一个空间或现实的通道(虫洞)。大部分物理学家都相当确定,要对黑洞内部进行描述,我们需要的是量子引力学——这是一种将量子物理和广义相对论统一起来的理论——或者可能是我们当前引力模型的某种修订版。这种理论的完整结构仍然未知,但是学者们已经对它的大致框架有所了解。

一种尝试来自雅可夫·鲍里索维奇·泽尔多维奇、雅各布·贝肯斯坦和史蒂芬·霍金。由于引力的量子理论不存在,因此他们将粒子物理和广义相对论结合起来,结果显示视界的温度并非是零,而且还会发光,虽然极其昏暗。这种光就是所谓的“霍金辐射”;当成双成对的粒子——如电子和正电子,或一对光子——在强烈的引力场中被制造出来时,其中一个粒子会坠入黑洞,另一个会逃离,从而产生这种辐射。

既然这些粒子的质量是由黑洞的能量(E = mc2)产生的,那么每当一个粒子逃逸,黑洞的质量就会减少一点。遗憾的是黑洞视界温度远低于我们所能看到的程度,因此霍金辐射要比其他光源昏暗得多。但不管怎样,假如存在质量极低的黑洞,它们就会因霍金辐射而显得相当明亮,而且衰减得相当快,最终蒸发殆尽。观察这类黑洞的消亡,可能有助于我们最终获知黑洞内的信息是否确实丢失,还是被视界藏在什么地方。

有意思的是,霍金本人认为这个问题已经解决了,至少在原理上是这样:黑洞保留了它们吞掉的所有信息,就像在二维的图片中保留三维信息一样。他的假说是基于弦理论观点的,针对的是一个抽象的、拥有更高维度的宇宙,而在我们的四维宇宙(三维空间外加时间)中还行不通。因此,并不是所有人都接受霍金的论点,即便他们也同意黑洞不会忘记它们的起源。

根据推测,霍金辐射是由各种成份构成的,其中包括奇异粒子,如暗物质和引力子,而这些我们都还没有在实验室中发现过。虽然大自然残暴地试图阻止我们对它进行研究——因为微型黑洞极为罕见,甚至可能不存在——但是这确实是一个令人着迷的观点。我们能够看到较大黑洞产生的霍金辐射,但前提是它必须不怎么吃东西,而且要离我们非常近才行。(另一种方法是在实验室里制造一个微型黑洞,但是如果没有新奇的物理学方式,所需的能量就会超出我们的能力。)

著名的天鹅座 V404 是已知离地球最近的黑洞,它距离我们约有 8000 光年。虽然放在宇宙中这点距离只不过是一根发丝那么宽,但对于我们来说,这样的距离也已经足够远到我们根本无法对它进行近距离研究。(作为对比,旅行者 1 号这个飞得最远的人类探测器,此刻和地球的距离也只不过是 17 光时)。而距离我们最近的超大质量黑洞(质量超过太阳的 10 万倍)甚至更远:26000 光年。它是银河系中心的怪兽,名为人马座 A*。

我们之所以能够看到天鹅座 V404,是因为围绕在它周围的物质:这些物质是它从伴星那里剥夺过来的,它们围绕着黑洞运行时会被加热,并释放出强烈的 X 射线和无线电辐射。高精度的观测手段使天文学家能够对 M87 星系内巨型黑洞周围距离很近的旋转气体进行测量。人马座 A* 附近舞动的恒星和等离子体,则揭示了那个使我们的星系得以结合在一起的黑洞的存在。

随着技术的持续进步,我们对黑洞将会看得更清,对视界的描绘也会越来越细致。但大自然仍然会把它的秘密隐藏在黑洞内部,而且可能会一直到永远。

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