5個(gè)關(guān)于黑洞的新奇問題
01
有一天，愛德華先生在課堂上說，根據(jù)帕克博士的計(jì)算，當(dāng)兩個(gè)奇點(diǎn)足夠接近時(shí)，你就能從黑洞中安全通過。
這可能嗎?
你的問題與蟲洞有關(guān)：有沒有可能存在一種時(shí)空，在這種時(shí)空中，你不僅可以穿過黑洞的“喉嚨”，而且還能保證安全？
蟲洞，或者說穿越時(shí)空的“捷徑”，最初被認(rèn)為是愛因斯坦廣義相對論的一些方程的解。不幸的是，第一個(gè)答案：如果你試圖通過一個(gè)黑洞，它會(huì)立即把你壓碎(也就是說，你的存在會(huì)阻止蟲洞方案的展開)。
上世紀(jì)80年代中期，由于卡爾·薩根寫了一部小說(《聯(lián)系》，也許你看過這部電影？)，其中劇情需要一個(gè)可以供人安全旅行的蟲洞，人們對于可以供人旅行的蟲洞的興趣被重新點(diǎn)燃?？紤]到自己是位著名的科學(xué)家，他不想只討論毫無意義的技術(shù)術(shù)語，所以他給他的朋友基普·索恩打了個(gè)電話，索恩是加州理工學(xué)院的教授，也是廣義相對論專家。索恩和他的同事們此后解出了一些方程，這間接證明了能夠安全通過的蟲洞的存在。唯一的問題是這些蟲洞必須由所謂的“外來”物質(zhì)構(gòu)成，這種物質(zhì)的總能量是負(fù)的。這并不像聽起來那么荒誕，但這并非完全不可能！
順便說一下，蟲洞和超光速旅行的有趣之處是，任何時(shí)候，只要你的速度看起來比光還快，你就可以回到過去(這是愛因斯坦相對論的一個(gè)推論)。因此你要是有一個(gè)蟲洞，你便可以穿越時(shí)空。這可能導(dǎo)致許多棘手的悖論：其中最常見的一個(gè)被稱為"祖父悖論”。
在這個(gè)悖論中,我們假設(shè)：我是一位杰出的科學(xué)家，但卻是一個(gè)真正的人渣。我發(fā)明了一個(gè)時(shí)間機(jī)器，我使用它是為了回到過去，在我祖父遇到我祖母之前殺死他。 因?yàn)樗懒耍筒荒苌鑫业母赣H，也就不會(huì)有我的存在，這意味著我不可能建造時(shí)間機(jī)器去殺了我的祖父，因?yàn)榭梢杂龅轿业淖婺负蜕业母赣H，還有我，所以我能讓時(shí)間機(jī)器殺了他，所以……你懂的！像這樣的悖論使一些人相信你不能在時(shí)間里旅行，所以你的速度不能超過光速，但其中關(guān)系并沒有那么簡單。
——科爾·米勒
穿越蟲洞
02
我聽人說過，當(dāng)星際物質(zhì)到達(dá)或接觸黑洞的視界時(shí)，就會(huì)“噴出”光和輻射。
這是什么意思?為什么會(huì)發(fā)生這種情況?
此外，如果除了光以外，沒有任何東西能以光速運(yùn)動(dòng)，黑洞如何能把光吸入自身呢?
聽起來，你可能會(huì)把黑洞的一些性質(zhì)混淆了:它們實(shí)際上并未“噴出”輻射，因?yàn)闆]有任何東西能從黑洞中逃脫(無論如何，在合理的時(shí)間量內(nèi))。
向內(nèi)掉的的物質(zhì)通常會(huì)在視界周圍形成一個(gè)吸積盤，就像水沿著排水溝螺旋下降一樣。當(dāng)這種物質(zhì)繞著吸積盤旋轉(zhuǎn)，接近黑洞時(shí)，它會(huì)失去能量，并將這種失去的能量輻射出去。隨著某物接近視界，輻射量會(huì)急劇增加，因?yàn)檫@是黑洞的重力勢阱最陡的區(qū)域，所以物質(zhì)下落得更快，因此損失了更多的能量。
你是對的：由于特殊的相對論效應(yīng)，任何有質(zhì)量的物體都不能以光速或超過光速運(yùn)動(dòng)。然而，如果光進(jìn)入事件視界，它仍然可以被“吸入”。根據(jù)定義，視界距中心奇點(diǎn)達(dá)到了一個(gè)特殊的距離，在此處，對于一個(gè)給定質(zhì)量的黑洞來說，它的逃逸速度等于光速。因此，在事件視界上，物體必須以比光速更快的速度運(yùn)動(dòng)才能脫離黑洞的重力。這是不可能的，所以即使光以最大的速度c運(yùn)動(dòng)，只要它靠近事件視界。黑洞的逃逸速度是sqrt(2GM/c^2)，其中G是牛頓引力常數(shù)，M是黑洞的質(zhì)量。因此，隨著黑洞質(zhì)量的增加，物體逃逸所需的速度也隨之增加。
——?jiǎng)诶げ紓惸崧?/p>
事件視界
03
黑洞和白洞有什么區(qū)別?
在討論白洞之前，我們需要先看看黑洞。
我們?nèi)绾沃篮诙创嬖?有兩種證明方法。
首先，我們有來自望遠(yuǎn)鏡的確鑿證據(jù)。望遠(yuǎn)鏡被用來觀察圍繞某個(gè)又暗又重的天體(我們用望遠(yuǎn)鏡無法直接看到)公轉(zhuǎn)的物質(zhì)發(fā)出的光。與我們所能看到的類似或更大質(zhì)量的物體相比，這些暗重的物體似乎非常小。這些又黑又大的物體很可能是黑洞。
其次，我們有一個(gè)出色的引力理論，經(jīng)過了縝密的檢驗(yàn)，預(yù)測了我們一定會(huì)在宇宙中看到這樣的物體。
那么白洞是從哪里來的呢?
我們的引力理論(愛因斯坦的廣義相對論)所預(yù)測的黑洞，是一組方程的解。愛因斯坦方程的解前面可以有一個(gè)“+”(加或正的)或“-”(減或負(fù)的)符號。我們在數(shù)學(xué)中經(jīng)常看到這種情況。y*y=9的解可以是y=+3或y=-3。
根據(jù)你在愛因斯坦方程中選擇的符號，你會(huì)得到一個(gè)黑洞，它通過吸收遠(yuǎn)處的物質(zhì)而增長，或者你會(huì)得到相反的結(jié)果，一個(gè)“白洞”。它是一個(gè)時(shí)間倒流的黑洞。
一個(gè)白洞會(huì)是什么樣子? 好吧，如果你有一個(gè)攝像機(jī)記錄一個(gè)黑洞吸收物質(zhì)的過程，然后反過來播放，你會(huì)看到一個(gè)白洞。你會(huì)看到物質(zhì)被“白色的”洞吐出，當(dāng)它吐出物質(zhì)時(shí)，洞會(huì)逐漸縮小。但是白洞是真的嗎?
僅僅因?yàn)橐粋€(gè)描述世界的方程有一個(gè)“負(fù)”解和一個(gè)“正”解，并不意味著它是對事物的正確描述。如果我告訴你我的棒球票數(shù)的平方是9，這意味著我有三張票或者負(fù)三張。但是負(fù)三張棒球票是無意義的，沒有這樣的情況。動(dòng)力學(xué)中有很多方程的例子，同時(shí)存在正解和負(fù)解，但只有一個(gè)能描述現(xiàn)實(shí)世界。這是因?yàn)槲覀冎灰h(huán)顧四周，就能看到時(shí)間朝一個(gè)方向移動(dòng)。時(shí)間似乎永遠(yuǎn)不會(huì)自行倒轉(zhuǎn)，不會(huì)重放一個(gè)小時(shí)或一天:
所以我們認(rèn)為愛因斯坦方程的白洞解不適用于現(xiàn)實(shí)世界。就像負(fù)三張球票……這根本不會(huì)發(fā)生。
最后一個(gè)關(guān)鍵詞是觀察，因?yàn)槟憧梢缘玫剿心阆胍钠恋姆匠?，但是它們必須與我們看到的現(xiàn)象相符，否則它們是沒用的。目前的觀察告訴我們，我們是對的。我們看到了很多關(guān)于黑洞的很棒的證據(jù)。但迄今為止，還沒有一個(gè)是關(guān)于白洞的。
——巴里麥·柯南
白洞？是否真實(shí)存在？
04
我知道黑洞有一個(gè)很大的引力場。
任何事物穿過黑洞都將消失。
如果太陽穿過黑洞會(huì)發(fā)生什么?太陽也有一個(gè)很大的引力場，太陽會(huì)消失嗎?
如果太陽穿過一個(gè)黑洞，它就會(huì)像其他任何東西一樣消失在黑洞中。當(dāng)任何東西(光，宇宙飛船，甚至太陽)離黑洞太近時(shí)，黑洞的引力是如此之強(qiáng)，以至于物體無法逃脫，即使它以光速運(yùn)動(dòng)！黑洞“邊界”與黑洞中心之間的距離稱為視界，進(jìn)入視界的物質(zhì)都不可以逃逸。（具體解釋見上文）
如果你駕駛一艘宇宙飛船接近一個(gè)黑洞，只要你在視界之外航行，你就可以安全地在黑洞周圍的軌道上運(yùn)行。然而，如果你走得太近，經(jīng)過視界，就沒有辦法逃脫了！同樣，如果太陽進(jìn)入視界內(nèi)，它將無法逃逸并且會(huì)消失。
如果你想了解更多關(guān)于黑洞的知識，或者更多關(guān)于物理、天文學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)方面的知識，請?jiān)L問這個(gè)網(wǎng)站:http://scienceworld. wolfram. com/
——馬修·奈特
人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞
位于天鵝座的天鵝座X-1
無線電波段圖像
05
如果我們可以控制一個(gè)奇點(diǎn)，它的位置，大小，和/或目的地，你認(rèn)為我們會(huì)用它做什么?
首先，要記住，大多數(shù)人認(rèn)為存在一種形式的“宇宙監(jiān)查”，這意味著一個(gè)人不能有一個(gè)“赤裸的”奇點(diǎn)。這意味著宇宙中一個(gè)真正的奇點(diǎn)周圍會(huì)有一個(gè)事件視界，所以(1)你不能直接看到奇點(diǎn)，(2)事實(shí)上這是一個(gè)黑洞。
因此，如果一個(gè)人能夠控制一個(gè)黑洞，那么產(chǎn)生大量的能量將是一個(gè)很有建設(shè)性的用途。氣體從很遠(yuǎn)的地方螺旋進(jìn)入黑洞， 在最終落入黑洞視界之前，通常會(huì)釋放出其質(zhì)量能量的10%左右。原因是，氣體被迫以非?？斓乃俣纫苿?dòng)，因此它會(huì)與自身發(fā)生摩擦并升溫，因此產(chǎn)生輻射。這大約是核聚變釋放能量的10到20倍，此規(guī)律適用于任何物質(zhì)。也就是說，你可以想象，向黑洞扔垃圾(也許是有毒廢物!)然后用這種方式產(chǎn)生的能量為人類文明提供能源動(dòng)力。
然而，我擔(dān)心，如果有一種技術(shù)能夠像你所說的那樣控制黑洞，那么它將被用于軍事方面……
——科爾·米勒
原文鏈接
https://www.astro.umd.edu/~miller/teaching/questions/blackholes.html
問題11-15
翻譯：雯兒
審核：林下光
排版+二次審核+二次翻譯：吳泱
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