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黑洞内外,时空弯曲的漩涡——苟利军研究員演讲实录
2015-03-17| 【 【打印】【關閉】

  2014年年底,有一部叫作《星際穿越》的電影火遍全球,它是英國著名導演諾蘭曆時多年拍攝成功的。這部電影上映後,在全球掀起了一股時空穿越的熱潮。電影講述了一位宇航員在面臨地球災難、人類滅絕的時候,去深空(在地球大氣極限以外很遠的空間,包括太陽系以外的空間)探索,找到幫助人類建立第二家園的方法,最後成功將人類送到太空,使人類得以解救的故事。

  与好莱坞典型大片相比,这个故事本身是平淡无奇的,但是在主角们的探险过程中,他们却经历了在平凡人看来很难以置信的事情。其中很多是天体物理方面的知识,比如虫洞、黑洞,还有引力波等等。这些东西在一般人看来非常难以理解,所以作为这部电影的科学顾问,基普·索恩(Kip Thorne)教授还写了一本名为《星际穿越》(The Science of Interstellar)的书,专门讲解这些天体物理知识。基普·索恩是加州理工大学的顶尖教授,也是国际顶尖的天体物理学家。在电影的制作过程中,他提供了很多天体物理原型,并在特效公司的帮助之下,将这部影片打造成了2014年度最炫的电影,摘得奥斯卡最佳特效奖。

  如果你看過電影,那麽應該記得當中最令人震撼的一幕就是黑洞以及黑洞周圍的吸積盤。今天,我就利用這短短的十多分鍾,帶領大家進行一場黑洞的時光之旅。

    黑洞,光都无法逃逸的牢笼

  什麽是黑洞?在講黑洞之前,我要從中國的神獸貔貅講起。貔貅有什麽特點呢?就是只進不出。在宇宙當中,有一個與貔貅非常類似的天體,它的名字就叫“黑洞”。它可以將在周圍的任何物質都吸進去,甚至連光都無法逃脫。當我們能看到一個物體的時候,必須要通過一定的媒介,通常,這個媒介就是光。所以,當光都不能傳播出來的時候,我們就不能看到它。同理,當我們去看黑洞這個物體的時候,因爲光都不能傳播出來,所以我們看到的就只能是一個黑色的區域。而且,我們從各個方向去看黑洞的時候,都不能看到它,所以它應該是一個球體。就像下面這幅漫畫裏所說的,它是黑色的,它是一個洞,所以我們稱之爲“黑洞”。

 

  那麽,黑洞的物理結構是什麽樣的?它其實相當簡單,由兩部分構成,一部分叫作“視界面”。在視界面之內,任何物體包括光都不能逃逸出來,但是要記住,這個視界面僅僅是一個虛擬的界面,並不是實實在在的球體。另外一部分就是視界面球體中心上一個叫作“奇點”的東西。

  奇點是什麽呢?人類對于奇點的認識是不斷變化的。在最開始愛因斯坦相對論出現以後,我們認爲奇點就是一個質量無窮大,但是又沒有體積或者體積特別小的天體。但是,隨著量子引力的出現,我們現在意識到它的中間有可能是有一定體積的,但是還是特別小。那麽,奇點是什麽形狀的呢?是一個點,還是其他形狀?在這裏,我要指出一個所謂量子泡沫的東西,它就如我們現實生活中看到的肥皂泡一樣。奇點上有好多類似的泡沫,但是這些量子泡沫是由許許多多的彎曲空間所構成的,而這也正是我們可以用來進行時空穿梭的媒介。

  黑洞的結構非常簡單,當然也正是因爲其簡單的結構,我們可以用很簡單的3個量去描述它,這3個量分別是質量、轉動和電荷。我們知道這3個量以後,就可以完整地描述一個天體。因爲只有3個量,所以我們通常稱之爲“三毛定理”,有的時候爲了簡單,我們就稱之爲“無毛定理”。與它相比,周圍任何一個物體或者一個人可能都更爲複雜,因爲需要千千萬萬個參數或者量去描述,或者千千萬萬都不夠。

    空间弯曲,“岁月了无痕”的良药

  黑洞是一個強引力的集合體,所以,對于黑洞的認識正體現了對引力的認識。從17世紀牛頓發現質量有可能是引力産生的源泉以來,我們對于黑洞的認識也發生了巨大的變化。首先,如果質量影響引力,那麽我們就可以這樣想象:當質量大到一定程度的時候,光可能就跑不出去了。如果把我們的地球壓縮到這樣的尺度,那是多大呢?簡單計算後我們發現其半徑爲0.9厘米。現在地球的半徑是6400公裏,從6400公裏到差不多1厘米,要經過了好幾億的尺度變化,所以可以想象它的密度發生了更爲巨大的變化。

  这是牛顿时代对引力的认识。到了爱因斯坦时代,这一认识又有了很大的不同。爱因斯坦在1915年(大约在100年前)发表了一篇論文,提出了广义相对论,对引力有了完全不一样的认识。他认为,引力是因为质量对时空造成了弯曲,而弯曲的时空造成了引力场。在下面这幅图当中,我们可以看到,在一张平直的薄膜上面,不同质量的物体对于一个平面所造成的变形是不一样的——重的物体的变形更大一点,而轻一点的变形则小一点。

 

  我們也可以想象,空間是一張薄膜,如果沒有任何物體存在的時候,它就是一張平直的、沒有變形的薄膜。但是,當我們把一個天體,比如太陽、中子星,黑洞甚至更爲致密的黑洞放到上面去的時候,它對空間所造成的變形就完全不一樣了。以下這張圖上就展示了各種天體對于空間所造成的變形。

  而且,在對于引力的不一樣的認識中,我們才發現了時間的一些有趣現象。在愛因斯坦的廣義相對論中有一個很奇妙的結論:空間彎曲越大,時間流淌越慢。很多人都在追求所謂的長生不老或者永葆青春,所以如果我們能夠活在靠近空間彎曲更爲強烈的地方,那麽自然會消耗更短的時間。當我們觀看電影《星際穿越》的時候,我們看到當主人公庫珀回來的時候,時間幾乎沒有在他身上發生任何變化,而他的女兒卻已經變成了一個老太太。按照物理法則來計算,他們在米勒星球的1小時相當于地球上的7年,這個時間一下子被拉伸了6萬倍。這是什麽概念?合理的解釋就是,米勒星球其實更靠近空間彎曲更大的黑洞附近。

  我們在神話故事當中經常聽到有人說:“天上一天,地上一年。”通過借鑒以上理論,我們就很容易解釋神仙所住的地方,其實就是更靠近引力場或者空間彎曲比我們地球上空間彎曲更大的地方。

    恒星级黑洞与超大质量黑洞的诞生之谜

  在我們的宇宙當中到底有沒有發現黑洞呢?現在大量的觀測已經表明,我們這個宇宙當中有很多黑洞。總體而言,這些黑洞可以分爲兩大類:一類叫作“恒星級黑洞”,另外一類叫作“超大質量黑洞”。前者的質量大約是10個太陽質量,而後者的質量是在幾百萬甚至幾億個太陽質量。雖然它們的質量有著這麽大的差別,但是最終它們表現出來的卻有著極大的相似性。

  首先,它們有一個圍繞自身轉動的氣體盤。其次,它們有一種從黑洞中心噴射出來的氣體物質,在天文學當中叫作“噴流”。正是因爲有氣體盤,黑洞會産生輻射,而這些噴流也會産生輻射,所以我們才能夠看到黑洞。否則,我們是沒有辦法探測到黑洞的。

  這些黑洞是怎麽産生的呢?一般來說,質量大約爲幾十個太陽質量的恒星在死亡後會塌縮成黑洞。這是因爲恒星內部有熱核反應,它本身能夠支撐自身的重量,但是當熱核用完的時候,就不能支撐重量了,就會形成黑洞。最後,它會産生一個特別強烈的爆發,並在一秒鍾內釋放出比太陽在一生當中所釋放出來的能量還要強100倍的能量。

    虫洞,高维空间之旅的连接通道

  在日常生活當中,我們也會聽到某個人在談論黑洞,他們在談論的時候,往往會提及時空穿梭。那麽,黑洞是怎麽讓我們實現時空穿梭的呢?

  我們的宇宙處于一個更高維度的宇宙當中,並不是單獨存在的。如果有一天有一個人告訴你,其實在高維空間中有一個通道連接著地球與織女星,那麽這個通道肯定就是蟲洞。

  蟲洞有沒有可能自然産生?完全可能。因爲在黑洞中心有一些奇點,奇點上有量子泡沫,而這種量子泡沫就可以産生蟲洞。但是問題是,它們存在的時間和長度都特別小,分別大約在1.0E-43秒和1.0E-35米這種量級上,或者更小。所以,我們必須要達到這種量級,才能夠讓人類穿梭。也就是說,蟲洞的尺寸必須達到至少人類的大小,比如米或者千米的量級;時標的話,必須達到秒、分或者小時的量級,人類才能在蟲洞中穿梭。

  我們怎麽解決這種問題呢?有沒有可能解決呢?或許,我們可以從宇宙的演化當中得到一些啓示。現在有很多觀測發現,我們的宇宙起源于一個大爆炸,經過爆漲,漲到了我們現在觀測到的豐富多彩的宇宙。

  而且,最近的觀測表明,我們的宇宙當中含有一種叫作“暗能量”的成分,它與我們通常所見到的物質的性質是完全不一樣的。我們知道,根據牛頓對于引力的認識,有質量存在就有引力,但是暗能量完全相反,它的性質能夠提供一種斥力,而這種斥力正是蟲洞所需要的。

    黑洞探索,实现“时空穿梭”的秘钥

  經常會有人問我,你研究黑洞有什麽意義,今天,在“未來創客”的這個舞台上,我要談一些關于研究黑洞的重要意義。首先,很直白地講,研究黑洞沒有很直接的社會影響,但是我想作爲一個基礎學科的研究,它是一種人類自由探索意志的體現。我們可以想象,這個信息社會的産生,是源于一個小小的3W協議。但不爲人所注意的是,3W正是粒子物理爲了交換大數據所催生的。一個小小的3W協議竟然撬動了我們的整個社會,把我們帶到了現在的信息社會。對于黑洞的研究,或許就在明天,便會把我們帶向一個我們覺得時空穿梭非常容易,而且非常頻繁的時代。

(文章来源:本文为苟利军在“未来创客· 2015春季思想峰会”上的演讲实录,由未来创客编辑整理)

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