先讲个真事。
1916年初,第一次世界大战打得正凶。
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德国东部前线,一个叫卡尔·史瓦西的炮兵中尉正蹲在战壕里,一边挨俄国人的炮弹,一边算一道数学题。
算什么呢?他在算爱因斯坦刚刚发表的那组方程,广义相对论的场方程。
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那东西才发表一个多月,整个德国没几个人看得懂,全世界能上手算的人一只手数得过来。
结果这个炮兵中尉不但看懂了,还算出了一个精确解。
这个解后来就以他的名字命名:史瓦西解。
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而我们今天说的"黑洞",最标准、最干净、最早被算出来的那一种,就是从这个解里长出来的。
可惜史瓦西本人没来得及看到这个解被当成"黑洞"。他算完没几个月,就在前线病死了,才42岁。
一个在战壕里躲炮弹的军人,顺手算出了宇宙中最古怪的一种天体的数学结构。这事说出来比小说还离谱。
而且更离谱的是,史瓦西算出这个解之后,把论文寄给了爱因斯坦。
爱因斯坦回信说,我没想到这个方程还能有这么简单的解。然后他亲自把这篇论文推荐到了普鲁士科学院。
那时候的爱因斯坦自己也刚搞清楚场方程大概长什么样,还没来得及找解。结果前线一个当兵的,比他先算出来了。
史瓦西本人其实是个天才。
他十几岁就发表过关于双星轨道的论文,数学功底极深。他不光会算物理,还是个不错的天文学家、诗人。你可以把他理解成那种"什么都会"的通才。
但就是这么一个人,在一战的俄国前线得了一种罕见的皮肤病,几个月就没了。
他死后没多久,"史瓦西解"里那个r=2GM/c²的球面,被一个叫弗莱德曼的年轻人正式命名为"史瓦西奇点"。
施瓦西黑洞的真正状态
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再后来,大家才慢慢意识到这个东西有多可怕,它根本不是什么数学上的小毛病,它是宇宙中一种真实存在的天体。
"黑洞"这个词,要等到1967年才被惠勒在一次会议上正式叫开。那时候史瓦西已经死了五十多年了。
今天这篇文章,就想跟你聊聊这个最古怪的东西:史瓦西黑洞。特别是,掉进去之后到底会发生什么。
下面这些东西,每一条都反常识。你以前对黑洞的大部分想象,可能都是错的。
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一提起黑洞,大部分人脑子里冒出来的画面大概是这样的:一坨超级重的东西,缩成一个球,周围围着一圈发光的气体盘子,像宇宙版的抽水马桶,啥都往里吸。
这个画面不能说全错,但它漏掉了最关键的一点。
很多人以为黑洞就是"物质被压缩到极致之后挤在一起的一坨"。就像把整个地球压成一个玻璃弹珠那样,密度大得吓人。
但史瓦西黑洞偏偏不是这样。
史瓦西解有个特别反直觉的身份,它是真空解。
什么叫真空解?就是爱因斯坦场方程右边那项,代表物质和能量分布的那个东西,等于零。
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等于零是什么意思?就是这个时空里头,除了这个解本身描述的弯曲几何之外,空空荡荡,什么物质都没有,连一粒灰尘都没有。
听明白了吗?史瓦西黑洞内部,是真空。
不是说里面塞满了被压碎的恒星残骸,不是说挤着无穷多粒子。恰恰相反,里面比宇宙中最空旷的地方还要空。
那问题来了,既然里面什么都没有,那"黑洞的质量"是从哪来的?
答案有点赖皮:质量来自一个根本不属于这个时空的点。
史瓦西解的数学表达式里,有个地方会让分母变成零,就在那个被我们叫作"奇点"的位置,也就是r=0的地方。
这个点在数学上是发散的,根本没办法被包含进时空流形里。
所以我们只能说:那个点不在这个时空里,但它的质量效应却弥漫在整个时空的弯曲之中。
这就是为什么科普书里总说"黑洞中心是一个体积无穷小、密度无穷大的点"。
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说白了,这个点更像是一个"挂在时空边界上的重量",时空本身不包含它,但整个时空都因为它而弯曲。
这事说起来挺别扭的。
你想啊,我们平时说"某个东西有多重",总得指着一个物体说吧?你指着空气说"这团空气有十个太阳那么重",这不是胡说八道吗?
但史瓦西黑洞就是这样。它的"质量"不依附于任何你能指着说的东西。
更有意思的是,这种真空解并不只有黑洞这一种。
最简单的真空解其实是平直时空,就是狭义相对论里那个匀速运动、不弯不曲的背景。这个没什么稀奇。
但史瓦西解是第一个"非平凡"的真空解。
它告诉我们:就算时空里空无一物,它也可以弯得很厉害,弯出一个连光都跑不出来的区域。
这事在1916年是让人很不安的。因为它意味着,引力场根本不需要"东西"在那儿产生,场本身就可以是那个样子。
当然了,真实宇宙里的黑洞肯定不是凭空出现的。它们都是大质量恒星烧完燃料之后塌缩出来的。恒星的物质在塌缩过程中确实会被压进中心。
但一旦塌缩完成、形成了稳态的黑洞,外部的时空几何就精确地变成了史瓦西解那个样子。至于中心那堆被压碎的物质到底变成了什么,对不起,这个问题超出了广义相对论的管辖范围。
所以下次再有人跟你说"黑洞里面全是挤成一团的物质",你可以告诉他:不对。
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按照广义相对论最标准的解,黑洞里面是空的。质量是那个被排除在外的奇点"借"给时空的。
你可能会问:那地球外面的时空是不是也符合史瓦西解?
答案是:在地球外面,真的符合。
你没听错。我们脚下这颗蓝色弹珠外面的引力场,用牛顿万有引力算已经够准了,但更精确的描述其实就是史瓦西解在r大于地球半径的那部分。
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只不过地球质量不大,它把时空弯得很轻微。轻微到什么程度呢?要算卫星定位的钟差,才需要用到这个效应。你平时走路开车,牛顿定律足够了。
那地球内部呢?就不行了。因为地球内部塞满了岩石、岩浆、金属,不是真空。
史瓦西解只在真空区域成立。
这里有个很有意思的对比。
地球的史瓦西半径是9毫米,但地球实际半径是6400公里。中间差了六个数量级。
也就是说,从地面往下6400公里的地方,全是实打实的物质。只有当你把整个地球压缩到9毫米以内,外面那层史瓦西解才会真正延伸到视界,黑洞才会形成。
太阳也一样。太阳的史瓦西半径是3公里,但太阳实际半径是70万公里。差了二十多万倍。
所以黑洞不是什么随处可见的东西。你得把物质压缩到极端的密度,才能把史瓦西解的真空区域一直延伸到视界以内。
宇宙中能做到这件事的,只有大质量恒星的晚年。
一颗比太阳重二十倍以上的恒星,烧完核燃料之后,没有力量撑住自己,就会在自身引力下塌缩。如果剩下的核心质量超过三倍太阳质量,什么中子简并压都顶不住,就会一路塌缩下去,变成一个黑洞。
这个过程中,恒星的外层会被炸出去,就是我们看到的超新星爆发。核心则悄无声息地变成一个黑洞。
我们银河系里估计有上亿个这样的恒星级黑洞。只不过它们不发光,我们很难直接看到。
黑洞外面那个球面,就是著名的"视界"。它的半径有个公式,叫史瓦西半径,2GM/c²。
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这个数字有多大呢?
一个跟太阳一样重的黑洞,视界半径差不多3公里。
一个跟地球一样重的黑洞,视界半径才9毫米。对,你没看错,9毫米。整个地球压成一个黑洞,大概就是一颗玻璃弹珠那么大。
所以你看,黑洞这个东西,关键不在于它多大,而在于它有多"挤"。
很多人第一次听史瓦西半径的时候会觉得:那我要是把太阳压到3公里半径以内,它就变成黑洞了?
对,就是这样。
不过这不是我们今天要聊的重点。重点是,视界这个东西,跟你想象的可能完全不一样。
你可能以为视界是一层"壳"或者一个"膜",飞到那儿会"咚"地撞上去。
不是的。
视界本身没有任何物理实体。它不是一堵墙,不是一层玻璃,不是什么特殊材料做的边界。它是时空几何本身在那个位置发生的一种"转折"。
更要命的是,如果你真的驾着飞船飞过视界,你根本不会有任何"碰到什么东西"的感觉。
就像你开车过了某个国家边境线,地上并没有立一堵墙告诉你"你已经出国了"。国境线是画在地图上的,不是砌在地上的。视界也是画在时空几何上的。
但是,这里有个特别诡异的事情。
如果你在远处看着你的朋友驾飞船飞向黑洞,你会看到什么?
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你会看到他的飞船越飞越慢,越靠近视界越慢。而且他飞船上的时钟,在你看来也越走越慢。
最后,你会看到他"贴"在视界上,不动了。
不是真的不动了,是从你的角度看,他到达视界需要无穷长的时间。你等一辈子,等不到天荒地老,他都还没真正"跨过"那个球面。
这不是因为他飞得慢。是因为在黑洞附近,时间本身在你看来变慢了。
但他自己呢?他自己完全感觉不到这些。他会正常地飞过视界,甚至不会觉得有任何异常,只要黑洞足够大的话。
对,你没听错。对飞船上的他来说,飞过视界就是一瞬间的事,嗖一下就过去了。
但在你看来,他永远卡在视界外面。
这就是广义相对论里最让人头大的事情之一:时间是相对的。你觉得"永远到不了"的事,在他那儿可能只花了几秒钟。
所以以后再有人问"掉进黑洞是什么感觉",你得先问一句:你说的"感觉",是你在远处看的感觉,还是掉进去的那个人自己的感觉?
这两个答案完全不一样。
远处看:朋友永远卡在视界上,越来越红,越来越暗,最后消失。
自己感觉:嗖一下就进去了,过程快得你可能还没反应过来。
那光子呢?光也一样。
一束光直直地朝着黑洞飞过去,在远处观察者看来,它到达视界也要花无穷长的时间。光在你眼里也是"贴"在视界上不动的。
这就是为什么我们拍不到黑洞视界上发生的事情,那里发出的光,永远到不了我们这里。
这里得说清楚一件事。
你在远处看到的"时间变慢",不是什么视觉错觉,也不是光在路上跑久了导致的延迟。它是真的,在你的参考系里,靠近黑洞的那个时钟就是走得慢。
这就是广义相对论里的引力时间膨胀。
不光黑洞附近这样。你站在一楼和站在顶楼,时间流逝的速度都不一样。顶楼的时钟比一楼的稍微快一点点。
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对,你没看错。你住高楼层,时间过得比一楼快。
当然这个效应非常非常小。你在顶楼住一辈子,也就比一楼的人多活几纳秒。完全可以忽略。
但北斗卫星在两万公里高空,这个效应就不能忽略了。
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卫星上的钟比地面上的每天快几十微秒。如果不修正,导航定位一天就会偏出去十几公里。
所以你手机上那个导航,其实天天都在用广义相对论。
回到黑洞。
在视界外面不远处,这个效应就已经强到肉眼可见了。你朋友飞船上发出的光,除了变红(引力红移),还会在你眼里越来越慢,他举一次手,你要看好久才看到他举起来。
最后,他整个人像被按了慢放键,越来越慢,越来越红,越来越暗,最终贴在视界上变成一团红色的糊状物,然后消失。
但他自己什么都不知道。他只是觉得自己正常地飞过了视界。
这种"你看到的"和"他经历的"之间的巨大差异,是广义相对论最让人上头的地方。没有哪个版本是"假的",两边都是真的,只不过时间本身就是相对的。
好了,现在假设你就是那个朋友。你已经飞过视界了。
从这一刻起,事情开始变得离谱。
在外面的时候,我们都很熟悉:时间就是时间,往前走;空间就是空间,可以前后左右。你可以选择站着不动(空间不变),但时间照样在流逝。
但在视界里面,这套东西整个翻过来了。
我得稍微解释一下这是怎么回事。
广义相对论里判断"哪个方向是时间、哪个方向是空间",靠的是看度规里各项的正负号。在普通的时空中,时间那一项前面是负号,空间那几项前面是正号。
但在史瓦西解里,一旦r跨过了视界那个临界值,时间项和径向距离项的正负号就同时翻了个个儿。
这是什么意思呢?
意思是:在黑洞里面,那个叫"r"的坐标,它不再是空间坐标了。它变成了时间坐标。
而原来的时间坐标t,反而变成了一个空间坐标。
你品品这个事。
在外面,你可以选择往哪个方向走,往左往右往前往后,但你没法选择"不往前走时间"。时间是单向流逝的,由不得你。
在黑洞里面,角色互换了。
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你没法选择"保持r不变"。因为r现在是时间方向了。时间在流逝,就意味着r必须一直在变,就像在外面你拦不住时间往前走一样,在里面你拦不住r往一个方向走。
那r是往哪个方向走呢?
只能变小。
在外面,你从过去走向未来,t只会越来越大。在里面,你从"大r"走向"小r",r只会越来越小。
这就是为什么说黑洞"只进不出"。
不是因为黑洞引力大到什么东西被吸住了,当然引力确实大,但更根本的原因是:在视界内部,r=0不是一个"位置",而是一个"时刻"。
你不能从那个时刻逃开,就像你不能从明天逃开一样。
光也一样。
光子跑得再快,在黑洞里面它的r坐标也必须一直减小。因为这是"时间流逝"的方向,不是它能选的。
很多科普说"黑洞引力大到光都跑不出来"。这个说法不算错,但没说到根上。
真正的原因是:黑洞内部的时空弯曲到这种程度,径向方向已经变成了时间方向。而时间,是不能往回走的。
你永远没法"离开"r=0,就像你永远没法"离开"现在走向过去。
这个概念特别难理解,因为它完全违背我们一辈子的直觉。我们一辈子都活在外部,从来没体验过"空间变成时间"是什么感觉。
但数学就是这么告诉我们的。
那有人可能会问:那r为什么只能减小,不能增大呢?增大不行吗?
数学上其实两个方向都是"类时"的,就是说,r增大和r减小对应的世界线,从几何上看都是合法的粒子轨迹。
但是,时间是有方向的。
在外面我们只见过t增大(走向未来),从来没见过t减小(回到过去)。因果律要求时间只能单向。
所以在里面,r也只能单向,减小。
那个r增大的方向呢?那对应的就是"白洞"。
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数学上确实存在这么一个解,东西从里面往外冒。
但那跟我们的宇宙没有因果联系,物理上基本可以认为不存在。
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那么掉进去之后,你还能活多久?
这是大家最好奇的问题。
假设你真的驾着飞船进了黑洞,从你越过视界那一秒开始算,你还有多长时间?
先说结论:非常短。
有多短?要看黑洞多大。
如果是一个只有3倍太阳质量的小黑洞,就是那种恒星塌缩出来的、最常见的恒星级黑洞,你从视界掉到奇点,自己感觉大概只需要几十万分之一秒。
对,0.00005秒左右。
眨个眼都要0.1秒。你连眨眼都来不及,就已经到了。
这里面有个很微妙的点。
有人会算:从视界到奇点是八千多米,花了0.00005秒,那平均速度不是一亿多米每秒吗?这不就超光速了?
超什么光速。
前面说了,黑洞里面空间和时间已经互换了,你拿"r坐标的变化"除以"自己经历的时间",得到的那个东西根本不是物理学意义上的速度。
就像你不能拿"日历上的日期差"除以"你的主观时间"来算一个速度一样。在黑洞里面,r就是那个"日期"。
真正的速度,就是你旁边某个观察者测到的你的速度,永远不会超过光速。哪怕在黑洞里面也不例外。
这个弯转不过来很正常。因为我们一辈子只在弱引力场里待着,没有直觉可以参考。
那你说,黑洞大一点呢?
大黑洞就舒服多了。
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如果是一个超大质量黑洞,比如银河系中心那个,400万个太阳质量,你掉进去之后,从视界到奇点大概能撑几个小时。
对,几个小时。你甚至还能在飞船里喝杯茶,观察观察周围,写个遗书什么的。
为什么越大反而越慢?因为视界半径跟质量成正比。黑洞越大,视界离中心的距离就越远。你要走的"路程"长了,虽然是自由落体,时间也会拉长。
不过先别急着羡慕大黑洞。
小黑洞虽然死得快,但你可能根本活不到穿过视界。因为小黑洞附近的潮汐力太恐怖了。
什么叫潮汐力?就是你头和脚受到的引力不一样大。
你站在地球上,头离地心远一点,脚离地心近一点。这个引力差非常小,你感觉不到。
但在小黑洞附近,这个引力差大到你无法想象。
你头朝黑洞方向飞,头受到的引力比脚大得多,大到你的身体会被沿着径向拉得越来越长,就像一根面条被两头拽。
这个过程有个很形象的名字,叫"意大利面化"(spaghettification)。
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对,就是被拉成意大利面条。
在3倍太阳质量的黑洞附近,你还没到视界呢,潮汐力就已经把你扯碎了。分子被扯碎,原子被扯碎,最后你变成一条顺着径向方向的粒子流,稀里糊涂就进去了。
所以那种"驾飞船参观黑洞"的想法,对小黑洞来说根本不现实。你在路上就没了。
大黑洞就不一样。超大质量黑洞的视界附近,潮汐力其实没那么大。因为质量摊得很开。你可以安然无恙地穿过视界,甚至还能活一会儿。
但也就一会儿。
不管黑洞多大,从视界到奇点的那段路,你是必走的。而且这段路是单行道,没有掉头这一说。
那这段路上你能做什么挣扎吗?比如开足马力往外冲?
不能。
前面说过了,在里面r减小就是时间方向。你往外冲等于往回走时间,这不是发动机功率的问题,这是因果律的问题。
哪怕你的飞船有无穷大的功率,你也逃不出去。因为"出去"这个方向,在里面根本不存在。
这就是为什么有人说:掉进黑洞之后,最理性的做法就是放弃挣扎。
因为你挣扎的每一下,都在让自己更快地到达奇点。
对,你没听错。计算结果表明:角动量越大(就是你越想绕着奇点转圈拖延时间),你到达奇点反而越快。
就像你往漩涡里扔个东西,它转着圈往下掉,比直直掉下去还快。
那你说我把速度降下来,慢慢飘过去行不行?
可以,但也慢不到哪去。
对于3倍太阳质量的黑洞,即使你用最"省时间"的方式,就是直来直去、不绕弯子、尽量慢,你最多也就撑到约4.6×10⁻⁵秒。
0.000046秒。
你看,这就是物理。你算来算去,发现再怎么挣扎也就多活那么一点点。
好,现在你终于到了r=0。
然后呢?
然后广义相对论就闭嘴了。
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因为在r=0这个位置,时空曲率变成无穷大。所有方程都发散了。所有物理量都失去意义。
物理学家们普遍认为:这不是说r=0真的"无穷弯曲"了,而是说广义相对论在这个地方失效了。
失效是什么意思?就是这个理论在这儿不好使了,得换个理论。
但问题是,我们现在还没有这个"换上来的理论"。
能想到的候选者有好几个,量子引力、弦理论、圈量子引力,但都还没有被实验验证过。
所以关于奇点,我们目前只能说:
在那里,已知的物理全部不成立。
粒子去哪了?不知道。
时间在那里是什么?不知道。
空间在那里是什么?不知道。
我们唯一知道的是:掉进去的东西,从施瓦西时空里消失了。
"消失"这两个字说起来轻松,但物理学家们对此非常不满意。因为物理是讲究守恒的,能量不能凭空消失,信息不能凭空消失。
那掉进去的那些东西的信息呢?它们去哪了?
这个问题催生出了一大堆争论,最著名的就是"黑洞信息悖论"。
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霍金当年说信息会永远消失,苏斯金德说不对信息肯定保存着,两个人吵了几十年。最后霍金认输了,但问题并没有真正解决。
这是后话。
说回奇点。
很多人第一次听说"奇点"的时候,会以为它是一个很小很小的球,密度特别大,像一个微型的中子星。
不是的。
奇点不是一个"东西"。它不是物质压缩到极致之后的残余物。它是时空本身的边界。
打个比方:你把一张纸从一个角开始剪,剪到最后那个角,纸就没了。那个"没了"的位置,不是一个特别小的纸片,而是纸这个二维平面的边界。
奇点就是四维时空的一个边界。
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到了那儿,时空本身就到头了。
这也是为什么说"黑洞内部是真空",因为除了那个不属于时空的奇点之外,里面真的什么都没有。你在里面飘着,周围空空如也,只有时空在你周围以你无法想象的方式弯曲着。
直到你到达那个边界。
回到一个最基本的问题。
我们天天说"黑洞连光都吸进去了",但你有没有认真想过:光又没有质量,引力怎么"拉"光?
牛顿的引力理论里,引力是拉有质量的东西的。光没有质量,按说应该不受引力影响,直直地飞过去就完了。
但广义相对论告诉我们:引力根本不是"拉"。
引力是时空弯曲。
光在弯曲的时空里走"直线",就是两点之间最短的路径。
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但因为时空本身弯了,这条"直线"在我们看来就是弯的。
就像你在一张铺平的纸上画一条直线。然后你把纸弯起来,那条线也就跟着弯了。不是有人去拽那条线,是纸本身弯了。
太阳旁边的星光会偏折,1919年爱丁顿在日全食的时候测到过,第一次验证了广义相对论。
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那黑洞呢?黑洞附近的时空弯得更厉害。
在视界外面,光绕着黑洞可以走各种曲线,可以偏折,可以形成光子球,甚至可以绕着黑洞转好几圈再飞出来。
但一旦跨过视界,光就再也出不来了。
为什么?
因为前面说过了,视界里面径向方向变成了时间方向。光在里面也只能沿着r减小的方向走。
不是黑洞"拉住"了光。是时空在视界里面已经弯成了这种形状:所有可能的路径,不管你朝哪个方向发射,最终都是指向r=0的。
就像你在一个山谷里,不管你朝哪个方向跑,都是在往谷底走。因为周围的地形就是这样。
视界就是那个分水岭。外面,你还有可能跑出去;里面,所有路都通向中心。
这才是"连光都跑不出来"的真正含义。
说了这么多抽象的东西,你可能想知道:真实看到的黑洞是什么样?
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2019年人类第一次拍到了黑洞的照片,M87星系中心那个超大质量黑洞。
2022年又拍了我们银河系中心的Sgr A*。
那张照片你肯定见过:一个黑圈圈,周围一圈橘红色的光,像个烤焦了的甜甜圈。
那个黑圈圈就是黑洞的阴影。
它比视界本身还大一点。因为光线在黑洞附近会被强烈偏折,所以我们看到的"黑影子"其实是视界加上光线偏折之后留下的投影。
周围那圈橘红色的光是什么?是吸积盘。
黑洞旁边的气体和尘埃被引力拽得转圈圈,越转越靠近,越转越快,摩擦生热,热到发光。那个温度高到离谱,能发出X射线甚至伽马射线。
而且因为转得太快了,靠近我们的那一边会显得更亮,叫多普勒集束。远离我们的那一边会暗一些。
所以你看真实黑洞照片的时候,那个光圈不是对称的,一边亮一边暗。这就是因为转得太快了。
那张照片刚出来的时候,很多人说"这不就是科幻电影里画的那样吗"。
但真的是科学家算出来、拍出来的。从史瓦西1916年在战壕里写下那个解,到2019年人类真的拍到照片,中间隔了103年。
103年。一个数学方程预言的东西,花了一个世纪才被亲眼看到。
聊到这儿,你可能觉得已经够离谱了。
但黑洞的古怪事情还多着呢。
比如,一个很有名的问题:黑洞蒸发吗?
按照霍金的计算,黑洞不是真的"只进不出"。
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在视界外面,量子效应会产生一种辐射,叫霍金辐射。这种辐射会慢慢带走黑洞的质量。
但这个过程极慢。
一个恒星级黑洞蒸发完,需要比宇宙年龄还长万亿亿亿亿倍的时间。
所以你完全不用担心太阳变成黑洞之后会怎么样,它根本不会变成黑洞,质量不够。就算真变成了,它蒸发的时间也长得没有意义。
霍金辐射这个东西很有意思,因为它是少数把量子力学和广义相对论凑在一起算出来的结果。但它至今没有被实验直接探测到。
再比如,你可能听过"黑洞无毛定理"。
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意思是:一个稳态的黑洞,不管它原来是由什么东西塌缩成的,恒星也好、椅子也好、你的旧课本也好,最后留下来的信息只有三个:质量、电荷、角动量。
没了。
你扔进黑洞一本书,这本书的封面颜色、字写了什么、纸是什么材质,这些信息全部消失在黑洞的"毛"里了。黑洞只记得这本书原来多重、带不带电、转不转。
这个定理当年让物理学家很头疼。因为量子力学说信息不能消失,广义相对论说信息全丢了。这个矛盾就是前面提到的"信息悖论"。
吵了几十年,现在的主流看法大概是:信息其实是通过霍金辐射一点一点跑出来的,只不过方式特别复杂,我们还没算明白。
但这仍然是个开放问题。
还有一件事。
史瓦西解做最大范围的数学延拓之后,会出现两个我们宇宙之外的区域,一个叫"白洞",东西从里面往外冒;另一个是另一个渐进平直的宇宙。
数学上这两个区域是存在的。但它们跟我们的宇宙之间被视界隔开了,没有任何因果联系。
也就是说,即使另一个宇宙真的存在,我们也永远没法知道。因为信号传不过来。
这就是数学告诉我们的全部了。
再往后,就纯粹是猜想了。
回头看这一路聊下来,其实就讲了一件事:
在史瓦西黑洞里面,空间和时间换了位置。r不再是一个"你可以选择去或不去"的地方,而是一个"你必须走向它"的时刻。
所有掉进黑洞的东西,粒子、光子、飞船、宇航员,最后都走向同一个结局:从时空的这一端消失。
在那个消失点上,我们现有的全部物理理论都失效了。
这就是广义相对论能告诉我们的极限。
你可能会觉得这个结论很不令人满意:花了这么多篇幅,结果最后说"不知道"?
但科学就是这样的。
科学不是什么都知道。科学是知道自己知道什么,也知道自己不知道什么。
我们知道黑洞外面的世界,算得准准的,北斗卫星要修正的就是这个效应,引力波探测的就是黑洞合并。
我们也知道黑洞内部大概是什么样,时间空间互换,所有东西奔向奇点。
但奇点那里到底发生了什么?这个问题现在没有答案。
史瓦西在1916年算出那个解的时候,大概也没想到自己写下的那几个公式,会在一百多年后变成一张真实的黑洞照片。他更没想到,自己开了一个到现在都没填上的坑。
也许未来某一天,会有另一个物理学家,可能在某个大学的办公室里,可能在某个战壕里,找到把量子力学和广义相对论真正合在一起的办法,告诉我们奇点那里到底发生了什么。
在那之前,我们只能说:
黑洞里面很空。
时间在那里变成了空间。
所有进去的东西都出不来。
然后,
就没有然后了。
至少现在,没有。
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