7亿光年外存在超大黑洞！黑洞真的会把地球吞噬么？| 张帆
张帆
北京师范大学天文系副教授
弯曲的时空
要想明白为什么黑洞看起来像甜甜圈，就要先知道广义相对论。
广义相对论的诞生最早可追溯到比萨斜塔的实验，伽利略将一个重球和一个轻球同时从斜塔上扔下来，它们最后居然同时落地。
比萨斜塔实验
结果出乎人们的意料。爱因斯坦后面细想这个实验结果，意识到引力和其他的力完全不一样。
比如电磁力，如果让两个同样的物体带上不同的电荷，然后把它们放到电场里面，一个会加速快，一个会加速慢，然后它们两个就分开了。
通过这个办法，我们能知道某处是否有电场。
但是在引力场的作用下，两个物体永远同步下落，我们没有办法区分，到底是因为引力场的作用它们才下落，还是其实这两个物体是在太空中飘着的，只不过是我们作为参照物的电梯加速往上走，才显得它们加速向下运动。
在这种情况下，爱因斯坦就想了，如果在任何实验下都不能区别这两种情况，那么物理作为一个实验科学应当认定他们是一样的。
换句话说，引力不是力，它并没有加速物体，人们平时生活中所经历的引力效果，大多是因为人们选了比较奇怪的参照物。
话虽如此，也不是说引力在任何时候都是没有效果的，引力当然存在，只是它不是一个正常的力。在大尺度上，它的效果就体现出来了。
下落的两电梯
好比这张图显示的思维实验的情况，一开始这两个电梯是平行下落的，但到后来它们会撞到一起。因为引力的作用会引导它们向地心的方向走。
如果引力不是力，那不受力的物体应该沿直线运动，为什么沿直线运动的两个在开始的时候平行的物体走着走着到后面就不平行了？
很明显，这种情况无法在平面上发生，但在曲面上，就有可能发生。
这个时候爱因斯坦就想，引力不是力，引力其实代表着时空的弯曲。
物体走直线，这件事在一任意的形状上面，意味着它会走这个形状上最短的线，而形状本身很奇怪的话，这些线也会表现出来很奇怪的特点。
我们现在就可以理解为什么在一个电梯里面，我们没有办法测出引力存在不存。但是在一个大的尺度上，在引力场有变化的时候，引力的效果就体现出来了。
想象你是一只蚂蚁，位于图中黑色的小圈里，你其实无法区分你究竟是在上方的平面上，还是在下方的曲面上，这有点类似我们身处地球，却不知道地球是圆的。
你只有把自己拉出来，放到一个很大的尺度上，看到了引力场的变化，也才会知道原来你是在一个弯曲的面上的。
这种引力的变化也叫潮汐力，可以说，引力的效果主要是通过潮汐力来体现的。
引力既然是时空弯曲的表现，那么产生引力的物质就必然要弯曲时空，物质怎么弯曲时空呢？
如果引力不是力，为什么我现在跳一下，没有受到力的我不会飞到太空里面去呢？
事件视界
一条鱼拼命想游出瀑布
其实，你可以这样想象，空间就像一条瀑布，水不断地往下流，越往下流速越快，所以即便我往上跳，但还是被瀑布给冲下来了。
换而言之，在宇宙里，如果一个很小的范围里有着一个质量很大的物体，这个物体周围瀑布的流速会很猛，那么以最快速度游动的鱼也没有办法游出去。
爱因斯坦曾说，宇宙里速度最快的是光速，如果一条光速游动的鱼都逃不出去，那么这个瀑布就叫作黑洞，黑洞的边际叫作事件视界。
在瀑布边缘试探的船
在事件视界之外，光虽然不会被吸进去，但也会受到影响。就像图片中的这条船，即便人们再努力地沿直线划，因为横向水流很快，也还是会受到影响而被拖着拐弯。
黑洞周围弯曲的光
黑洞周围的光不只会弯曲，还会绕着黑洞转圈圈。
绕黑洞转的气体
这时如果在黑洞周围放一团炙热的气体，让它绕着黑洞转，那么你就会看到它有好多个影子。
我们可以把黑洞想象成一个哈哈镜，从不同角度去看它，它就会把这团气体映射出很奇怪的影像。
像甜甜圈的黑洞
所以这张像甜甜圈的照片，黑洞其实在中间位置黑色的里面，围绕它的那一圈是黑洞外面的物质所发射出来的信号，被像哈哈镜一样的黑洞折射出来的射电信号。
当然这景象实际上人的肉眼是看不到的，因为人是看不到微波的。这张图实际上是根据信号强度做出来的。
如果人类真的可以跑到黑洞附近去观看，会看到黑洞周围是彩色的，这是因为绕着黑洞转的这些气体，在不同的地方温度不一样，发射出来的颜色也就不一样，所以才会呈现彩色效果。
黑洞周围气体因不同温度发射出不同光彩
所以黑洞甜甜圈的照片其实是根据大量数据处理出来的，但实际想拍摄到这样的照片也还是非常非常难的。
照片中的黑洞本体在5500万光年以外，而且黑洞本身很小，在天空上基本是一个小点儿，人们想在小点儿上分辨出明暗，这是非常难的。
用干涉阵列来看遥远的黑洞
所以要得到这么精细的照片，就必须要有特别高的角度分辨率。那么怎样才能获得这么高的角度分辨率呢？
通过干涉阵列的方法。黑洞的信号在某一时刻齐头并进向外传播，而它们到达地球上各个射电望远镜的时间是有差别的。
时间差明显与虚线和实线之间的夹角相关，所以利用时间差，科学家们就能用干涉的方法将这些信号的来源方向提取出来。
时间差又和实线的长度成正比。换句话说，如果把两个望远镜之间的距离拉的特别长，你会得到一个比较大的时间延迟，在仪器精度不变的情况下，你就可以得到特别高的角度分辨率了。
这就是为什么这次参与拍摄黑洞的射电望远镜阵列，涵盖了从格陵兰岛到南极，不同地方的望远镜，之间的距离达到地球直径。
我们可以用大型仪器观看遥远星际里很大的黑洞，也有可能用一些高端仪器在地球上造出来很小的黑洞。
这位老先生叫Kip Thorne，是电影《星际穿越》的科学顾问。
他提出来一个猜想：如果给定一个物体，根据它的质量做一个特别小的呼拉圈，然后让呼拉圈各种转，转的过程中始终能把这个物体包含在内，那么这个物体必定是一个黑洞。
大型的粒子对撞机也能够把很高的能量，也就是很大的质量集中在一个很小的范围里，所以根据这个猜想也是有可能造出一个黑洞的。
如果我们真的用粒子对撞机造出了黑洞，它会吞噬地球吗？
这是不可能发生的。首先，形成黑洞是很难的。要两个粒子对得特别准，正好迎头撞上，如果不在微小的尺度上修改引力，引入一个高维空间，想要做到这点实际上很难。
而黑洞即便产生之后，也会面临霍金蒸发，而且越小的黑洞蒸发越快，黑洞很快就没了。
这个“蒸发”的说法是霍金提出来的，但即便霍金说错了，黑洞不会蒸发，它能长期而稳定地存在，那它也不会吞噬地球。
因为所谓黑洞引力强，只有在距离黑洞特别近的地方才能体会到，离黑洞比较远的时候，黑洞的引力实际上跟一个同等质量的基本粒子没什么区别，不会把远处的物体吸过去吞掉。
我们周围的这些东西基本都是真空，因为原子核和原子的大小差着十万倍。
就算科学家能造出黑洞，那也比原子核小得多得多，基本没有什么能跑到距离黑洞特别近的地方给它“吃”，所以黑洞最多沉到地球中间，就静静地“坐着”。
掉进黑洞会有什么体验
虽然我们没在地球上作死，但经常在电影里面的大黑洞那里胡闹。例如《星际穿越》中的男主角Cooper后来跳到了黑洞里。
影片中的他在经过事件视界的时候，没有任何感觉，然后就进去了。
这是因为，除非有潮汐力的存在，否则根据等效原理，物体在自由落体时是没有任何感觉的。
超大黑洞的潮汐力其实很弱，因为引力虽然很强，但是人的尺寸比黑洞的尺寸小得多，在人的尺寸上黑洞引力没什么变化。所以Cooper在通过事件视界的时候并没有什么不适。
所以黑洞的引力场虽然强，但因为没有什么潮汐力，所以Cooper并没有什么不适。
掉进黑洞的Cooper
直到他掉到中间接近奇点的时候，如果头朝下掉就会被撕碎，如果横着掉就会被压扁。
影片中的女主角布兰德，也就是安妮·海瑟薇饰演的那个角色，她坐在宇宙飞船里其实是看不到Cooper掉到黑洞里面的，她会以为Cooper一直凝固在事件视界上，为什么会这样呢？
手绘时空图
大家请看这张手绘的时空图，竖着的代表时间，横着的代表空间，直线代表事件视界，曲里拐弯的线代表奇点，弧线代表Cooper的运动轨迹。
我们刚才说了，事件视界的定义是任何光都永远无法逃脱的地方，换句话说，光沿着事件视界在运动。
如果想让布兰德看到Cooper，那必须得有光从Cooper那里发出来，并达到布兰德的眼睛。
但因为光无法从事件视界里逃脱出来，所以里面的光永远到不了布兰德的眼睛，布兰德也就永远不知道Cooper掉进黑洞了。
布兰德只会看到Cooper走得越来越慢，最后贴到事件视界上不动。如此看来，事件视界真是很奇妙。
但还有更奇妙的。这段动画展示了两个黑洞合并时的状态，两个黑洞的事件视界最终合并成了一个单一的事件视界。
请大家注意观察，两个事件视界在合并的时候，就像两只小手在牵手一样。它们怎么这么厉害？它们怎么知道对方要往哪个方向伸手？怎么知道未来会发生什么事？怎么确定它们就能完美地合并呢？
这其实涉及到了事件视界的另一个特性——预知未来。事件视界的定义是光“永远”无法从事件视界里逃脱，所以光在某一时刻其实并不知道自己是否位于事件视界里，只有一直等到宇宙灭亡，它才会知道自己最后到底有没有跑掉。所以事件视界的定义就限定它不是由局部的物理就能决定的。
裤子图
这张图描绘了两个小黑洞合并成一个大黑洞，这个图也叫裤子图。在黑洞合并的过程中，实际上黑洞的质量会减小，因为有一部分能量被引力波带走了。
但是Bekenstein和霍金告诉我们，黑洞的表面积实际上是增大的。
各领域科学家眼中的黑洞
这好像有点违背常理，不过在经典物理的情况下，情况确实是这样，只是转到量子力学领域，情况就会不一样了。
量子力学对真空的定义是根据观测者而定的。《星际穿越》中的Cooper看到的是真空，周围什么都没有。
但在宇宙飞船里的布兰德看到的是黑洞周围有很多粒子，这些粒子组成的体系有温度，黑洞就会产生热辐射，这就叫霍金辐射。
在宇宙真空环境里，不断会有一对粒子产生出来，它们互相抵消然后消失，之所以能这样，是因为测不准原理。
测不准原理认为，在一个很小的时间范围内，能量是测不准的，所以能量不需要守恒。
你可以造出两个粒子，只要它们能在短时间内抵消再消失，把能量还回去，那一切都没事儿。（当然实际上，量子力学在计算的时候，会用另一个等效的方法，还是假设能量守恒，但是给这两个粒子特别奇怪的能量值，这样一来，质能方程E=mc²就不能用了。）
但这种粒子产生再消亡的情况如果发生在黑洞附近，情况就会变得复杂些，比如其中一个粒子掉到黑洞里，或者一开始就在黑洞里，而另一个粒子在黑洞外，那里面的粒子就没法出来和外面的粒子抵消，外面的粒子就能跑掉，带走它的能量，这样就无法偿还能量给真空。这笔账需要黑洞替它还。
长期下来，黑洞的能量就被弄走了，黑洞就会逐渐变小，直至最后炸掉、消失。而跑掉的粒子就是霍金辐射。
霍金辐射还有一个特别奇妙的地方，它是纯正的黑体辐射，它只和黑洞的质量、旋转速度和电荷相关，和黑洞由什么组成没有任何关系。
你扔本字典和扔块石头进去，它们对霍金辐射的影响都是一样的，我们没有办法通过霍金辐射识别最开始扔的是字典还是石头。
这和太阳的黑体辐射还不一样，太阳的辐射里面其实有很详细的细节信息，只不过人们人为地忽略它们，用一个大写意的方法，用热力学来描述太阳辐射，人为地把那些信息忽视了。
而霍金辐射是没有细节的，无所谓是什么信息，被黑洞给吞了以后就出不来了，直到黑洞蒸发消失，这些信息也就跟着消失了。
不过，信息凭空不见的说法让一群人无法接受，他们就是量子物理学家。
回到霍金辐射。之所以会有霍金辐射，其实是以粒子牺牲同伴到黑洞里为代价的。所以辐射跑出来的粒子其实已经和掉进去的粒子之间纠缠在一起了，那它想按量子信息学家要求的那样和其它跑出来的粒子之间纠缠上的话，就需要先和里面的粒子断交。
有量子力学专家认为断交的结果是在事件视界附近形成了一个充斥着极高能量粒子的区域——火墙。
这样一来，Cooper就不是像经典物理学家说的那样，会毫无感觉地通过事件视界，完全不知道自己面临死亡的威胁。
相反，Cooper会被火墙烧焦，甚至直接烧成渣。这种说法直接违反了爱因斯坦广义相对论的等效性原理——除去潮汐力，以自由落体方式落入黑洞的人感受到的物理规律应当和漂浮在空旷的星系空间的人相同。
而且确定事件视界的位置需要能预知未来，如果要放火墙在那上面，难道要让火墙去预知未来吗？
如果这样的话，整个物理学都要被重新改写了。很多人认为既然要做那么多的改动，还不如承认信息丢失算了，把量子力学的理论改一改，别总试图改相对论。
尤其像罗杰·彭罗斯，他认为黑洞信息丢失是他所提议的循环宇宙模型中很关键的一部分。
总而言之，黑洞除了在观测上非常有意思，能带给我们很奇妙的照片外，它其实非常适合做思维试验，是可以凭空就能推动科学发展的东西。
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