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刚刚,黑洞照片发布了!惊得我不小心滑到了黑洞里

编译 姚人杰 世界科学 2022-05-06

刚刚,事件视界望远镜项目公布了黑洞照片!


中国科学院上海天文台天文大厦三楼同步发布了人类首张黑洞照片


如果你只能问一个关于宇宙的问题,你会问什么?


有没有那么一瞬间好奇一下,万一“我”坠入了黑洞,是个什么样的场景?


恭喜你,还保留孩童般的好奇,有个二年级的孩子就跟笔者提出了这样的问题,小朋友想知道以下2个问题:

当你坠入黑洞时,会发生什么事?

为什么引力拽着我们,又是如何拽动我们的?


围绕这两个问题,笔者以某个坠落黑洞者的视角,由远及近地带我们一同感受坠入黑洞的过程。



在进入正文之前,先了解下“事件视界”(event horizon):当一颗质量足够大的恒星寿终正寝,或者两个质量足够大的星体残骸合并时,能够形成一个黑洞,它有着与黑洞质量成正比的“事件视界”。

  这是一张严重弯曲的时空体的示意图,位于黑洞的事件视界外。随着你越来越靠近质量,空间的弯曲越来越严重,最终导向“事件视界”

 

 事件视界是图中的黑色区域,光无法从事件视界内逃脱


在这个宇宙中,如果没有其他东西触碰你,那么你便是自由的,就像一名自由飘浮在太空中的宇航员一样。


平时你能感觉到引力吗?肯定感觉不到,但举个例子:

你坐在椅子上,或站在地面上,当将这些支撑物抽离呢?你会从高处落下,产生转瞬即逝的失重感。此时,你已切身感觉到引力在作用。


在宇宙中,引力到处存在,因为到处存在物质,有物质就有质量。地球有质量,太阳有质量,宇宙中所有的行星、恒星和星系都有质量。假如你能将宇宙本身可视化,它不会仅仅是完全平坦的网格,它会因为所有这些质量的存在而扭曲变形。


试想,当你仅在引力的作用下穿行太空,那扭曲的网格就会决定你移动的方式。


所以可以这么去理解引力:

质量(及能量)的存在下,空间扭曲的方式以及它对空间内存在的其他物体(比如,你)的影响。


当然,这个过程不是静态的。随着质量在空间内的移动,空间的构造也一直在变化。

随着地球的绕日周转,空间的扭曲发生变化。

随着太阳绕着星系周转,空间的曲率发生变化。

随着恒星形成、存活、爆炸和衰亡,空间的构造不断改变。


这些都是宇宙之舞的一部分,是引力作用的展示。随着物体的移动和改变,随着宇宙膨胀,随着宇宙中发生众多进程,空间的构造随之发生改变。但经历这些后,引力仍然是真实的,它始终拉拽着我们所有人。


这则动画展现了一个质量在时空体中移动时,时空体是如何响应的


假如你从合适的位置以足够快的速度,朝着合适的方向移动,你能绕着宇宙中的任何质量稳定周转。


但如果你出现任何错误,你又会掉回来。就像发射的火箭,速度不够的话,它会落回到地球上;若让一颗行星减速很多,它会坠落到太阳上;让一颗作轨道运行的恒星减速的话,它会落回到星系中央;再往极端情况想,一不小心什么事情弄错了,你就可能坠入黑洞。

接近黑洞

黑洞是最终极的质量!它如此致密、质量如此之大、如此坚实,一旦坠入黑洞,任何东西都逃不出,甚至以宇宙中的终极限速,也就是光速,也无法逃脱。


所以,一旦你掉入黑洞,你永远都无法脱身,你只会自由地坠下。


当你距离黑洞极远时,空间的构造不那么弯曲。事实上,当你距离黑洞极远时,它的引力与其他质量的引力难以分辨,不管另一种质量是中子星(neutron star)还是常规恒星,或者只是漫射气态云(diffuse cloud of gas)。但你从所在的遥远位置所能判断的是,出现那种引力是由于质量的存在,而不是因为质量的性质或分布。


随着你开始接近黑洞,你会感觉到一件怪事:有一股力在拉扯你的身体。假如你的脚比脑袋更靠近事件视界,那么你会感觉到从头到脚被拉长了,同时身体两侧会受到压缩(这些是潮汐力,正是这种力导致地球海洋的潮汐隆起)


你再靠近黑洞一些,它的潮汐力极其剧烈地拉伸并压缩你,最后把你拉成一条长长的细线。


科学家很早以前就意识到这一点,用“意大利面”来形容我们坠入黑洞



 即使你以一个完美圆球开始,你也会被沿着黑洞方向拉伸,而沿着它的垂直方向受到压缩。物体中心的力会等于平均合力(net force),而中心之外的不同地点会感受到不同合力。这个过程的结果就是“意大利面条化”效应

坠向事件视界

从远处看,只看见黑洞周围的空间弯曲,仿佛黑洞提供了一面巨型宇宙透镜,扭曲了周围所有的光。但随着你坐着设备完善、坚不可摧的宇宙飞船越来越靠近黑洞,你会看到一些古怪的事


一般而言,当你所习惯的所有其他物体看起来越来越大时,增大幅度和你与它们的距离成正比。黑洞与它们不同,由于难以置信的空间弯曲,这个黑洞似乎增大比预期更快。

当你与黑洞的距离缩小一倍时,它的角直径(angular size)看起来增加到原先的2倍多。当你再次将距离减半,角直径再次变得更加大,看起来增加到最初的4倍多。


背后的原因很简单。质量当然会让时空弯曲,但随着你越来越接近一个极度致密的大型质量(譬如,一个黑洞),空间的弯曲就越来越严重。这定然增大了将你“意大利面条化”的潮汐力,那些绕过黑洞射过来的光弯曲得更厉害。


与实际的物理尺寸相比的话,事件视界看起来会庞大无比!而背景中,那些遥远的恒星,弯曲得完全走样,事件视界便开始接管你的整个前方视野。

 

 当你坠入黑洞或仅仅紧靠事件视界时,事件视界的尺寸与尺度会显得比实际尺寸大得多


随着你越来越靠近事件视界,它开始遮盖你前方的一切。一旦你越过事件视界,你的命运就确定了。你无论输入多少能量,都无法带你到黑洞中心奇点以外的地方,而那个奇点会在数秒内将你碾压成次原子粒子。


但你尚未彻底玩完!在这个节骨眼,也就是你尚未越过事件视界时,你仍然能逃离黑洞。如果你提供足够的加速度来逃离事件视界,你能逃脱它的引力,让宇宙恢复成安全的、远离黑洞、渐近平坦的时空体。


你的引力传感器会提示你,靠近黑洞中心奇点的过程中,存在一个下降梯度(downhill gradient),它提示你已经远离那些仍然能看见星光的普通区域而飞向黑洞中央。


上述画面,基本上把你跌入黑洞的过程呈现了出来,但漏掉了光!


当你坠入黑洞,色彩会发生变化。随着外界的光坠入黑洞,你看到的是更偏蓝的颜色,那是因为额外的空间引力弯曲令光加速。


如果你继续坠向事件视界,你最终会看见星光被压缩成你身后的一个细点,并由于引力蓝移(blueshifting)效应,颜色变成蓝色。


在你越界进入事件视界之前的最后一瞬间,那个细点会依次变成红色、白色和蓝色,宇宙微波与射电背景移入光谱的可见段,让你最后一次瞥见外部宇宙,并仍然以为没有别的东西与你一起坠入黑洞。


然后……就是一片漆黑,什么都没有。

 

 任何人都可能看出来,这会是宇宙微波背景最怪诞奇异的样子:这是当你在遭遇黑洞中央奇点之前经历最后一刻时,来自你身后某个点的蓝移能量


从你进入事件视界起,外部宇宙的光亮不再落到你的宇宙飞船上。无论你如何发动引擎,无论你做什么,总之没有脱身之径。此时,你看见的场景不再是你前往地方的反射:无论你从哪个方向进入黑洞,奇点都在你前方等着你。


但实际上,你是不会看见奇点的,因为这个空间已经严重弯曲。即使在你坠入的过程中,仍有外部世界的光跟着你一起进入黑洞,在你前方、在你后方、并和你一起越过事件视界。


从你越过黑洞的事件视界那一刻起,只用几秒钟时间,你就会被碾压成粒子。但在最大型的黑洞中,它们有可能把你领往其他地方

到一个白洞(white hole)中,到另一个宇宙,或者到一种全新的物理实体(它被隐藏在事件视界之后,因此我们无法看见)


我们从外部无法获得任何相关信息,无法获知事件视界内有些什么。我们目前仅有各种理论。


当然,如果能够避免的话,不要坠入黑洞,因为最有可能出现的情节是你会被四分五裂,真的是死无葬身之地。

本文作者:

伊桑•西格尔(Ethan Siegel)是理论天体物理学博士、物理学教授、获奖科普作家。人民邮电出版社在2018年出版了他的《星河之外:宇宙真容探秘记》(Beyond The Galaxy: How Humanity Looked Beyond Our Milky Way And Discovered The Entire Universe)一书。


资料来源:

Ask Ethan: What Happens When You Fall Into A Black Hole?


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