深度長文:解讀黑洞的本質,那裡或隱藏着宇宙的終結奧秘!
愛因斯坦的廣義相對論早就預測出了黑洞這種詭異天體的存在,不過長期以來,天文學家們在現實中並沒有觀測到黑洞。
到了2019年,經過數年不斷觀測,天文學家們終於拍攝到了人類歷史上首張黑洞的照片,一張看起來如此簡單的照片,凝聚了天文學家們的心血,同時也再次印證了廣義相對論的正確性。
不過,照片中的黑洞其實距離地球非常遙遠,遠在5000萬光年之外,而最近的黑洞距離地球也有上千光年。如此遙遠的距離,人類很難近距離觀察黑洞直接探測黑洞。更多的時候,天文學家們只能在現有理論的基礎上,間接探測黑洞,通過黑洞與周圍天體的相互作用獲取更多信息。
天文學家們早就知道,黑洞憑藉強大的引力能吞噬一切靠近的物體,不過這都不算啥,天文學家們甚至發現了一個更恐怖的事實:黑洞甚至會刪除我們的宇宙!
我們需要從頭開始說起。
目前我們所講的黑洞,基本上都是指“恆星”黑洞,也就是說,大質量恆星死亡之後產生的黑洞。
黑洞之所以如此特殊,就在於奇點和事件視界。
所謂奇點,其實就是黑洞本身。黑洞強大的引力把所有物質都壓縮到一個無限小的點,這個點沒有體積,也就是所謂的奇點。也就是說,理論上講,黑洞就是奇點,所以黑洞是沒有大小的。
而我們通常所講的黑洞大小,其實指的是黑洞“事件視界”的大小。每個黑洞都擁有自己的事件視界,這個事件視界有大有小,與黑洞的質量有關。具體來講就是以史瓦西半徑爲半徑,以奇點爲圓心組成的球體,球體的邊界就是事件視界。
從命名就能夠看出,事件視界是“事件”的分界線,一旦越過事件視界,事件本身就不存在了,同時時間和空間也不存在了,相當於那完全就是另外一個世界。
理論上講,如果一個物體能以光速飛行,在事件視界恰好可以不被黑洞吞噬,但也不能逃離黑洞。通俗理解就是,黑洞的逃逸速度超過光速,而現實中超光速是不被允許的,所以任何物體一旦越過事件視界,就難逃被吞噬的噩運!
不要說光線了,任何信息也都不可能從事件視界內部逃出來。也就是說,理論上講,無論如何我們都不可能獲取黑洞內部的信息。
不過,黑洞邊緣會隨機上演“霍金輻射”,黑洞也正是通過“霍金輻射”緩慢蒸發的,在極其漫長的時間過後,看似永恆的黑洞也會蒸發完畢。
什麼是霍金輻射呢?
簡單講,在黑洞附近的真空環境,會隨機上演量子漲落,衍生出虛粒子對,通常情況下,這些虛粒子對會瞬間湮滅。但也會偶爾出現這種情況:某個虛粒子隨機掉進了黑洞裡,另一個虛粒子由於找不到“另一半”了,就會以實體粒子的形式逃逸到太空。這個過程就相當於黑洞蒸發了。
不過,霍金輻射的過程是相當緩慢的,最大的黑洞需要大約10的1000次方年才能蒸發完畢。
但無論如何,時間會“消滅”一切,包括黑洞。
其實,黑洞通過霍金輻射的方式蒸發,並沒有什麼反常的。但問題就在於,等到黑洞蒸發完畢之後,那些被黑洞吞噬的物質信息也就不存在了。但是物理定律表明,信息不會無緣無故消失,信息是比物質本身更基本的存在。
舉個例子,同樣是碳原子,但如果碳原子的組合方式不同,就會得到完全不同的物質,可能是煤炭,但也可能是稀有的鑽石。而煤炭與鑽石的本質不同就是信息。
還有,如果不斷往鑽石裡添加其他元素,你有可能得到一個蘋果,甚至得到一個人也不稀奇。
那麼,等到黑洞消失之後,那些被黑洞吞噬的信息是不是也消失了呢?這其實就是黑洞信息 悖論。在科學家們眼裡,物質可以消失,但信息絕不會消失。
科學家是如何解釋黑洞信息悖論的呢?有幾種猜想。
第一,信息當然不會消失,只是有可能以某種不爲人知的方式隱藏起來了。隱藏在哪裡呢?有可能是另一個宇宙裡。科學家們認爲,黑洞的另一端可能連接着其他宇宙,被黑洞吞噬的物體信息並沒有真的消失,而是在另一個宇宙裡,只是我們的宇宙很難直接與其他宇宙互動。
打個比方,這就像你的硬盤裡有很多資料,包括各種你喜歡看的電影和電視劇。但一不小心硬盤壞掉了,無論如何都無法讀取,你的硬盤就會徹底淪爲一塊廢鐵。但其實硬盤裡的影視資料仍舊存在,也就是信息仍舊會存在,只是你無法讀取那些信息罷了。
第二,信息並沒有消失,也沒有進入另一個宇宙,而是以某種我們還不知道的方式儲存在黑洞的某個地方。因爲人類目前已知的所有物理定律在黑洞面前都失效了,意味着科學家們對黑洞的瞭解其實是非常有限的,黑洞儲存信息的方式很可能超乎我們想象。
第三,或許信息真的消失了,而且永遠消失了。這種觀點看起來太不可思議了,畢竟它違反了大自然法則。但問題就在於,我們信以爲真的大自然法則真的是不可動搖的嗎?或許人類只瞭解了大自然法則的皮毛,更高級的物理定律可能完全顛覆我們的宇宙觀。
但無論如何,人類很難接受如今的大自然法則被顛覆,因此大多數科學家依舊堅信被黑洞吞噬的信息,大概率以某種方式隱藏了起來,隱藏在哪裡呢?
事件視界!
而這種觀點其實也被稱爲“全息理論”,認爲黑洞吞噬的物體信息永久地保留在了事件視界上,而黑洞通過霍金輻射會把這些信息都帶走。
往深了講,關於黑洞的“全息理論”其實就是“全息投影”的延伸。
何爲全息投影?簡單講就是,在二維平面上製造出三維的假象。現實中這種現象很常見,比如說我們經常用到的信用卡上,就有“全息投影”原理,上面的圖像本身確實是二維的,但看起來並不是二維,而是三維的。
而黑洞的事件視界其實也是二維的,科學家們懷疑,黑洞很可能把所有的信息都儲存在了時間世界,給我們一個三維的假象。
這個問題問題如果深入探索,會得到一個讓人抓狂的事實。假設人類生活在黑洞裡面,我們感受到的三維世界,在黑洞外面來看,我們感受到的三維其實只是事件視界的二維投影罷了。
也就是說,對於生活在黑洞裡面的人類來講,我們當然不可能意識到自己只是二維的編碼。
是不是覺得有些瘋狂?難道人類生活的世界真的是二維虛擬投影?
當然,以上的觀點也只是科學家們的大膽猜想,所以我們也不必過分擔心,但無論如何,確實有那麼一種可能性。
其實,涉及到黑洞的任何言論目前都要靠猜想,畢竟人類對黑洞的瞭解認知還非常有限,即便未來某天人類能近距離靠近黑洞,也很難直接獲取黑洞內部的信息,除非我們如今已知的大自然法則被徹底顛覆,有一套更高級的物理定理完美詮釋黑洞。
這也是科學家們如此執着地探索黑洞的主要原因,因爲人類相信黑洞一定隱藏着更深刻的大自然法則,甚至會是通向宇宙終極奧秘的一把鑰匙!