单位文秘网 2021-07-23 08:19:36 点击: 次
神游
经过了四分之三个世纪,黑洞终于以真实的天体出现了,出发到黑洞探险的时机到了。
媒体对黑洞的报导,常给一般老百姓一个“吸”的恐怖感。黑洞不吸,我们干吗叫它黑洞?!
在远处看黑洞,或用更精确的字眼形容,在远处感觉黑洞重力场的存在,是个绝对安全的举动。黑洞的重力场和太阳的没有什么不一样。太阳轻点,变不成黑洞。但即使太阳真的变成黑洞,地球在1亿5千万公里外的轨道运行,还是会像过去45亿年一样,绝不会被它吸进去。
但黑洞只能远望,不能近看。一近就真有吸力,到时逃不出来,葬身黑洞,就后悔莫及了。所以,到黑洞探险,只能像“桃花源记”似的神游,不能玩真格的。
物理学家组织到黑洞神游之旅,团员一般包括丈母娘、妻子、女朋友和机器人等。但不知为何,物理学家最常送出去的首位人选就是他们的女朋友。当然,把最亲密的女友往黑洞里丢,为科学献身,也不失为无私高贵之举,但背后动机常令人质疑。所以本文绝不送感情深厚之人到黑洞探险,当然也不会自愿当敢死队员,要送就送智能型的机器人。
探险目标:类星体QJ287核心的宇宙最大黑洞。从这个超大黑洞180亿倍太阳质量计算,我们得知它的视界界面距黑洞中心约0.34光年,也就是说,在这个距离,脱离速度已达光速。
话说这位被我们命名为“开弓”的智能机器人在距星体QJ287 0.4光年处,离开人类的星航旗舰,在舱外检查完毕先进的激光通讯器材后,报告:“开弓感觉良好”,打开左红右绿的航标灯,就对准宇宙最大的黑洞重力场,头上脚下,自由落体往黑洞坠下。开弓在重力场中稳定加速,从旗舰的计算器飞行时间显示,它正在接近在0.34光年处的视界界面,此时传来开弓报告:“抵达视界界面,重力潮(gravity tide)急骤增加”,旗舰的仪器显示,开弓脚部位的重力场已是头部位的253倍。开弓的躯体由宇宙最强韧的材料打造,头脚数百个重力单位差,小事一桩,还扯不断开弓。
重力潮作用在人类日常生活经验之中。地球的海洋每天两次高潮,即因月球在地球引起的重力潮而起:向月面重力场强,海水被吸过来,形成高潮。背月面重力场弱,海水所受的重力场比地壳弱,于是相对上升也成高潮。
开弓愈行愈远愈快,从旗舰望去,航标灯的颜色因重力场持续增强而发生红移(gravitational red shift),绿色转红,红色更红,已无法分辨左红右绿。重力红移是爱氏相对论的结果。旗舰紧盯着航标灯。开弓继续朝黑洞陨落,旗舰的计算器显示,开弓应已进入黑洞内部,很快就会抵达核心的奇异点,被宇宙最大的重力潮撕得粉碎,连原子、核子和夸克结构都保不住,终归舍己成仁,完成探险任务……
但一个奇怪的现象出现了。
旗舰继续紧盯着开弓的航标灯,只见左右皆成红色,虽然愈变愈暗,但竟然不消失。旗舰决定把这个疑案搞个水落石出,就用宇宙间最灵敏的仪器,继续观察下去。一天过去了,一个月过去了,一年、百年、千年、万年过去了,开弓的余光仍在,像是永恒地被冻结住,永不消失。
图8:黑洞奇异点瞬间的时空沸腾翻滚重力粥结构示意图。
其实开弓在即将通过视界界面时送出的“抵达视界界面……“讯号,尚在痛苦地挣扎,企图脱离黑洞的重力场。还记得吗?视界就是连光或电磁讯号都无法脱离之处。开弓的航标灯光和讯号要往外走,黑洞的重力场从后面拖住不放,那点微弱的航标灯光最终还是没逃出去。从旗舰望去,开弓的航标灯像是被冻结在视界处。1939年后黑洞理论出现初期,黑洞一度被称为“冻星”(frozen star),就是因为从旗舰来观测开弓的飞行,得到的结论就是开弓被“冻结”在黑洞的视界处,永远飞不到目的地。
但开弓自己的旅途经历,就完全是另外一回事。
开弓继续稳定加速,向黑洞陨落愈来愈快,在通过黑洞视界界面时,除开头脚的重力潮强度持续增加外,亳无异样感觉。通过没有界标的视界界面进入黑洞后,与外界通讯瞬时被切断,即使开弓继续送出任务报告讯号,已和旗舰阴阳两界,讯息永远无法抵达。
开弓继续向黑洞核心加速冲去,几秒钟后,抵达奇异点。开弓一看,哎呀,不得了!那180亿倍的太阳质量,竟然全被集中在一个仅为一粒原子的1万亿亿分之一的空间,约10-33厘米大小,几乎接近零体积。宇宙之奇,以此为最。在奇异点附近,重力潮汹涌澎湃,像一锅沸腾翻滚的热粥,瞬息万变。突然金光一闪,“蛀孔”(wormhole)洞开,奇异点处繁星点点,旋即消失,开弓好像看到了35亿光年外的太阳系老家……
开弓终于看到了宇宙终极的秘密,它急速发出一通奇异点物理特性报告,但可惜那已成永远无法抵达收件人的电波。这么大的质量圈在这么一个小的空间,重力潮开始撕裂开弓的原子、核子、夸克和其它所有的结构。就这么噗哧一下,开弓就被奇异点吞掉,消失得无影无踪。
开弓没有回头箭,进入黑洞,就只有为科学献身光荣牺牲的结局。
人类目前的智慧,尚无法理解黑洞的奇异点。正在发展中的量子重力理论和超弦理论(Superstring theory),以重力粥(gravity froth)来形容奇异点时空结构,很抽象,但不外像量子力学用上帝掷骰子概念,来想象那像一锅翻腾的重力粥混乱情况(图8)。
在前文的描述中,我们没区分这个黑洞是否在旋转。宇宙中所有的天体,左碰右撞,爆炸连连,旋转是常态,静止是异态,但主要基本物理概念,转或不转,大略相同,在此就不深究了。
熵
拥有庞大质量的黑洞,像一台强力的真空吸尘器,横扫宇宙空间,所向披靡。气体、星尘和星体,不论有多复杂的核子、原子、分子和宏观结构,被黑洞吞入后,变成无体积的重力粥,集结在奇异点。在视界外看黑洞,从周遭物质运动推算,黑洞好像只以质量、角动量和电荷三个变量示人,其它多余讯息一概阙略。也就是说,两个黑洞,只要这三个参数相同,它们就无法分别彼此,是同样的东西。
黑洞内部因为重力潮强大,掉入黑洞的物质,不论大小,只要有棱棱角角结构尖锐之处,皆被重力潮冲平,成为光滑结构,这就是所谓黑洞的“无毛理论”(no hair theorem)。表面结构再复杂的星体,如地球的高山、河流、板块、海洋,如被黑洞吞噬,这些细微的结构就消失了。所以,黑洞最终以上述的质量、角动量和电荷简单的三个变量呈现,似乎说得过去。
既然它只以质量角动量和电荷显现,我们也束手无策。
但仔细一想,大不妥。
人类认为宇宙有一个基本大法,即热力学第二定律,不得违背。简单说来,这个定律要求宇宙的“乱度”(randomness)与时俱增。我们的书房如不费劲整理,就越来越乱;而已经乱了的书房,绝不会不加外力就变回整齐。一个碗坠地破碎,也不会自动由地面蹦回桌面,重新组成原来的碗。泼出的水收不回来,破镜也无法重圆,都是遵循热力学第二定律办事。整个宇宙也是朝愈来愈乱的方向前进。科学家发明出熵(entropy)这个名词,来描述乱度的大小。熵和宇宙中的温度有直接关系:宇宙愈乱,温度就愈高,其内含的熵也愈高。遵循热力学第二定律发展的宇宙,最后的结局是所有组成部份都达到同样的、最大极限的乱度或温度结局。
再以开弓这个机器人为例。它是人类智慧的结晶,体内含有高度规律的电子和机械等系统,有许多操作上的参数,几近于人类变化无穷的自由意志。它进入黑洞后光荣牺牲,成为黑洞的一部份。但从星航旗舰望去,黑洞仅增加那么一点点开弓的质量,多一点开弓带进去的角动量和电荷,至于和开弓有关的一切其它特性,就从宇宙中永远消失。
以热力学第二定律来看开弓被黑洞吞噬事件,很明显的是黑洞埋葬了开弓生前很多特性。换言之,开弓对宇宙乱度或熵的贡献没了,宇宙总熵值因黑洞吞下开弓而降低了!
1970年代这个结论刚出现时,霍金认为黑洞是最神秘的天体,即使它违背热力学第二定律,成为宇宙中巨大的“减熵”机器,我们也只好接受。这个立场遭到一位年轻的研究生贝肯斯坦(Jacob Bekenstein,1947- ,下称贝氏)强烈反对,认为黑洞不能违背热力学第二定律,也应有其特有熵值。几年后,霍金和贝达成共识,计算出一个10个太阳质量大小的黑洞应拥有约4.6x1078的熵值。宇宙中电子总数约为1080个,宇宙的乱度至少该是这个数值,所以这个1078的熵值看起来合理。
黑洞向热力学第二定律归队,开弓的生前资料还应保存在那个变化无穷、熵值庞大的重力粥中。
属于开弓的熵没有从宇宙中消失。开弓,安息吧!
蒸发
放眼望去,当下宇宙中的大小黑洞,吞食周遭星材,只进不出,绝不手软。假以宇宙悠悠无穷的岁月,巨网撒开,总有一天,所有宇宙物质,都被黑洞尽收到奇异点。组成你我身上的分子原子电子核子和夸克,最终也会被某个黑洞捕捉,坠落于重力粥中,永恒不得超脱。
宇宙终极的归宿就是这么一个巨大的黑洞吗?
其实黑洞也有弱点,它会蒸发,时间够长,也能蒸发殆尽。所以,黑洞可能不会坐大,呈宇宙尾大不掉之势。
黑洞蒸发理论是霍金在1974年发展出来的,命名为“霍金辐射”(Hawking radiation),其核心思维还要借助于黑洞视界外附近的重力潮和宇宙中的真空能量,有些抽象,但还是能用科普语言叙述的。
话说紧接在黑洞视界外附近的真空,因量子力学上的测不准原理,发生了真空能量起伏现象,向虚无的空间提供了能量,制造出一对光子。这对光子被黑洞的重力潮拉开。往外跑的光子从黑洞的重力潮再次取得更多的能量,爬坡脱离黑洞而去。剩下的那个能量较低的光子,被吸入黑洞。两相比较,逃掉的光子从黑洞的重力潮中获得较多能量,黑洞的总能量在这场交易中损失些许,总能量降低,黑洞质量也随着下降……黑洞蒸发了。
以上仅用光子来说明黑洞蒸发机制。黑洞也可能通过粒子、微中子和重力波等类能量的辐射而蒸发。
视黑洞质量的大小,蒸发速率各异。黑洞愈大,蒸发速率愈慢。一个太阳质量大小的黑洞,需约1067年才能蒸发殆尽。我们的宇宙年龄仅100亿年,或1010年。所以,这个黑洞还需宇宙年龄的10亿亿亿亿亿亿亿倍时间,才能把吸进去的熵和讯息再归还宇宙。这有点像我们向银行借房贷100万人民币,分期10亿亿亿亿亿亿亿年偿还,不是不还,只是时间长些而已。
自然形成的黑洞,皆大于数个太阳质量。但在宇宙暴胀的高能量时期,可能会有很小的黑洞形成。例如一个质量1,000公斤如汽车的黑洞,视界大小约10-20厘米,它会在10亿分之一秒就完全蒸发,产生的辐射能有200个太阳的绝对光度。至于在人类最高能量的粒子加速器中制造出来的微黑洞,在10-88秒就蒸发光。前阵子欧洲的“大强粒子对撞机”开始使用,媒体大肆渲染微黑洞将吞噬世界。真实的情况是:第一,对撞机的能量远远不够,根本制造不出微黑洞;第二,即使真的造出来,也是瞬息蒸发,绝对没有时间在地球上闯祸。
黑洞取之于宇宙,最终还是会通过蒸发而归还于宇宙,有借有还,黑洞并不那么可怕。
时光机
人类对黑洞的认知还在起步阶段。其实我们有太多的事情不知道。宇宙中的物理定律是怎么来的?人类还有多少未知的物理定律?外层空间文明世界存在吗?人类有朝一日能做星系之旅吗?
说到未知的物理定律,黑洞核心那一团超微小的重力粥,人类对它就是完全无知。在重力粥中运行的力,是当今宇宙中最强的力,无可比拟。人类目前希望能发展出一个量子重力理论,来开始理解它。但重力粥深藏黑洞核心,人类看不见够不着,顶多能从它对视界的作用,找到些蛛丝马迹,整理出些许规律。
虽然我们如此无知,但人类的心智还是可以做些聪明的假设。让我们想象,在未来有那么一天,人类的文明进步到“全知”,宇宙中已没有人类不知道的事。人类在宇宙中能做什么事,不能做什么事,完全清楚。
星系间距离浩瀚,动辄上百万光年。连接星系间的时空空间,在重力场的作用下,一般皆有些曲度,但基本相当平直。但在一个超大宇宙,四维空间的曲率可能会缓慢弯曲。爱氏曾说过,宇宙间距离最大的两点,就是一个人的眼睛和后脑勺。人极目望去,目光通过逐渐弯曲四维空间,看到尽头,以后脑勺部位为终点。
人的生命短暂,即使以光速飞行在两星系间略为弯曲的四维空间,恐也难圆星系之旅的梦。
但在一个全知的文明世界,星系之旅可能吗?
分散在宇宙各星系的黑洞,在一个全知的文明世界,就是星系间旅行的太空港口。星系间太空港口建立,首先要把两个各在不同星系的黑洞连接起来。黑洞的连接是全知文明世界的大工程。两个黑洞衔接后,星系间的时空隧道就被凿开了。在全知文明世界,这类隧道通称为蛀孔。隧道形成初期相当不稳定,偶尔金光一闪就又合拢,开弓抵达QJ287黑洞奇异点时就看到这么一眼,一晃而过。所以,时空隧道凿开后,要对洞壁进行加固工程,材料取自宇宙间无所不在的真空能量。图9就是完工后的时空隧道示意图。时空隧道通行前,全知文明世界的成员,从“现在”出发,要绕道曲率平缓的时空曲面,很久后才能抵达“未来”,费资耗时。而通过蛀孔时光机,全知人
类在现在和未来之间,双向自由游走,瞬息即达。
结语
经过近百年的摸索,人类理解了在现代宇宙中,黑洞能经重力塌缩和内爆形成。人类找到的黑洞,从仅含数倍到上数百亿倍的太阳质量都有。在视界之外,黑洞的物理行为和爱氏的相对论吻合;黑洞视界内重力潮如海啸,所有黑洞质量集中在几近零体积的奇异点,重力粥沸腾。奇异点虽小,但储存着吸噬物质的所有讯息和乱度熵。假以宇宙无穷岁月,黑洞蒸发殆尽,终归和周遭宇宙有借有还,收支平衡。
黑洞是宇宙中最神秘的星体,人类对它的内部结构和奇异点的物理行为,还在无知阶段。黑洞很可能是一把打开宇宙终极重力奥秘的金钥匙。
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