张双南专栏：如果掉进黑洞，我们能看到什么？ | 科学人
张双南，中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院粒子天体物理重点实验室主任。1984获清华大学学士学位。1989年获英国南安普敦大学博士学位。1989－1992美国宾西法尼亚大学博士后。
他是分答上收入过万的科学家，他是会写诗的天文学家。
有人问，能否1分钟内和大家介绍下您的研究？他回答：“我的科学研究是通过天文观测和理论计算来理解黑洞、星系、星系团以及宇宙演化，另一方面是做空间天文仪器的研制。我对两件事很感兴趣，宇航员到黑洞旅行会发什么，还有就是宇宙中的物质最终是否都会归于黑洞。业余时，我还喜欢研究美学，也喜欢写写诗。”
科学人特推出张双南老师专栏，收集整理分答上张双南老师的提问及回答 , 好的答案应该共享。本文为张双南专栏第二则。
第三则 假如掉进黑洞，我们会看到什么？
黑洞是宇宙空间中存在的一种密度无限大、体积无限小的天体，任何物质只要达到黑洞的视界内，就无法逃逸出去，连光也不例外。黑洞没有办法直接观测，至今为止，关于黑洞还存在很多的谜团。黑洞是一个点还是一个平面呢？黑洞内部是什么样的呢？人进入黑洞后会不会到达另外一个空间？被黑洞吞噬掉的物质有机会逃逸吗？
蒋斌：如果你驾驶座不会被引力压坏的飞船进入黑洞，描述下你看到的情景。我们世界的物理法则在黑洞里真的无效吗？
张双南：首先需要说明，飞船是否结实不是关键，关键是宇航员自己是否结实，因为飞船并不能屏蔽或者减少黑洞引力的影响。其次需要说明，宇航员感受到的不仅仅是和下落方向垂直的压力，而且也会感受到沿着下落方向的潮汐力，也就是拉伸力。如果他进入的黑洞的质量比较小，比如和恒星质量相当的黑洞，宇航员会被整成面条。如果他进入的黑洞质量很大，比如星系中心的超大质量的黑洞，他不会有太多的感觉就会进去，但是进去之后就会一直往黑洞的中心奇异点落去，在比较靠近奇异点的时候压力和潮汐力就会太强了，他就会粉身碎骨，至于他的骨灰是否能够到奇异点以及到了之后发生什么，我们就不知道了，因为我们还没有合适的物理规律描述那个地方的性质。
Chateau · Wang：黑洞是一个点还是一个平面呢？
张双南：恭喜您问了一个非常有趣而且深刻的问题！答案是：取决于观测者您的立场，黑洞既可以是点也可以是面。如果您是到黑洞旅行的宇航员，您会发现黑洞是个点，当然是您到达黑洞中心那个点的时候才得到的这个结论，不过您也立刻变成那个点的一部分了，当然也没有机会把您的发现告诉我们，即使您有办法发出信息，我们在外面也收不到。如果您是在黑洞外面观察黑洞的天文学家，您会发现黑洞是个面，您所有关于黑洞的信息都来自于黑洞的视界面，而且黑洞的视界面会阻止您从里面发出的信息出来。当然这个面是一个二维的球面不是平面。黑洞的视界面包含的黑洞的所有信息，也叫做全息面。所以，里面看是点，外面看是面，是不是很好玩？
曹俊：明天凌晨将公布的LIGO引力波新闻，又发现一个黑洞合并，14和8个太阳质量。对天文和宇宙学有何意义？
张双南：如果这次的引力波事件的确来自于两个10倍左右太阳质量的黑洞并合的话，说明今后这种高频引力波探测的事件率将会比较高。因为第一个引力波事件来自于两个30倍左右太阳质量的黑洞，而那种黑洞以前我们所知甚少。10倍左右太阳质量的黑洞在银河系和附近的星系内很常见。这样的引力波事件距离我们更近，有利于对其电磁波对应体的搜寻，因此对引力波事件的电磁波对应体的搜寻将成为天文学的一个热点，无论能否找到双黑洞并合的电磁波对应体，都会对于双黑洞的形成和演化机制做出强烈的限制。一旦通过电磁波精确测量到了引力波事件发生地的红移，则能够作为新的天文学距离测量手段研究宇宙的膨胀。这对于恒星演化、黑洞形成以及宇宙演化等研究都具有划时代的意义。
汀巴：最近霍金修正了黑洞理论，认为黑洞蒸发后信息可逃逸，是不是现在已没了我们以前认为～会吸收一切～的“黑洞”了？
张双南：广义相对论框架下的经典黑洞的确只会吃东西，而不发射任何东西，所以只能变得越来越胖，完全没有办法减肥。但是霍金不满意，他加入了量子力学效应，发现黑洞应该也会产生量子辐射，就被称为霍金辐射，这是霍金为黑洞减肥的方法，通过霍金辐射一个黑洞最终可能会消失。但是，尽管目前天文学的观测发现了宇宙中存在很多黑洞，而且他们都在吃东西继续增肥，但是还没有发现黑洞通过霍金辐射减肥的任何证据。由于科学理论必须经过实验或者观测验证，所以我们不知道霍金的黑洞理论是否正确，至少到目前为止我们还是只能说黑洞会吸收一切。
Chateau · Wang：如果说从宇宙各个角度看黑洞，它就像个球体？它是在这个宇宙的内部还是说穿透这个宇宙连接另外个未知的空间了？
张双南：如果黑洞是不旋转的，那么一个这样的孤立黑洞周围的时空结构就是球对称的，从各个方向观测都是一样的，当然它的视界面就是一个球面。如果它是旋转的，它周围的时空结构就是轴对称的，比球对称复杂一些。我们宇宙中黑洞非常多，银河系以及每个星系内都有很多质量和恒星差不多的黑洞，差不多每个星系中心也都有一个质量在百万到百亿太阳质量的超大质量黑洞。这些黑洞之间没有什么关系，但是我们不知道黑洞内部是否连接未知空间，因为目前还没有任何关于黑洞内部的观测数据，所以科幻电影《星际穿越》里面库波才进入黑洞获得黑洞中心处的数据。
陈洪云：在黑洞内人类用“1+1=2、欧里几何等”构建的数理体系还适用吗，推演几个通俗易懂的现象？
张双南：事实上，只有在广义相对论的框架下我们才能自洽地描述黑洞，无论黑洞外面还是里面。描述广义相对论的数学工具是黎曼几何，它可以描述弯曲空间，而欧几里得几何描述的是平直空间。广义相对论的物理基础是等效原理，也就是惯性质量和引力质量是等效的。需要黎曼几何的原因是，在引力场中自由落体的观测者处于局部惯性系中，可以使用狭义相对论，但是由于在做加速运动，单位时间走过的距离是变化的，看到的周围的空间不是平直的，需要描述弯曲空间的几何。由于空间是弯曲的，光线就不能走直线，这是最简单和直接的例子，已经得到了实验和观测的严格检验。在黑洞内部和外部我们都用同一套数学，只不过离黑洞比较远的地方空间接近平直，也可以用欧几里得几何。
彭辉：黑洞里面到底是一个怎样的空间？还会有时间和空间的概念吗？人进入黑洞会不会到达另外一个空间？黑洞有寿命吗？
张双南：黑洞里面仍然有时间和空间。有一个宇宙的模型说，我们的宇宙其实就是一个在通过吞噬外面的物质不断增长中的黑洞的内部，由于黑洞的半径和质量成正比，随着这个黑洞的增长，黑洞内部的物质密度会降低，表现出来的行为就是宇宙的膨胀，这也不违反现在的科学理论以及观测数据，只是我们不知道这个模型是否正确。霍金说黑洞中心的奇点是通往另外的宇宙或者空间的通道，但是我们不知道是否正确。根据霍金的黑洞量子辐射理论，黑洞是有寿命的，但是我们不知道霍金的理论是否正确，因此有可能黑洞真的是长生不老，而且会长得越来越大，越来越胖。当然当两个黑洞并合在一起的时候，两个黑洞就变成了一个更大的黑洞，但是不可能两个黑洞都消失。
宇民：黑洞合并瞬间两黑洞视界交界处的引力合力可能被中和。请问引力中和的地方，被黑洞吞掉的物质有机会逃逸吗？
张双南：您问了一个非常专业而且有趣的问题。按照目前的主流黑洞理论，黑洞内的物质必须到达中心奇点那个地方，但是现有的理论不能告诉我们这些物质在那里变成什么了，所以就没有物质再逃出的可能性。但是根据我和我的学生的黑洞理论，物质进入黑洞之后不可能到达中心奇点那个地方，必须停在黑洞里面靠近黑洞视界的地方，所以在两个黑洞并合瞬间，两黑洞视界交界处引力中和那个地方，被黑洞吞掉的物质是有机会逃逸出来的。前不久我在国外访问的时候和有些专家讨论过这个问题，他们也觉得这个可能性是存在的，只是还没有人具体计算过这个过程以及对应的可能观测现象。以后可能会有人做计算，甚至可能通过天文观测进行检验。
编辑整理：甘蔗西西、Sol_阳阳 排版：Sol_阳阳
关于黑洞，关于天文，还有很多未解之谜？
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