黑洞里面是什么

黑洞里面是什么没有信号能从洞里出来告诉我们答案也没有哪个勇敢的探险家在进入黑洞考察后还能出来告诉我们结果他甚至不能向我们发出任何信息但人类的好奇心是不会满意这种回答的人们找到了一个解决问题的工具物理学定律运用物理学定律人们了解到黑洞深处的时空倒置奇点以及奇点背后的另一个宇宙一艘巨大的宇宙飞船正在黑暗深邃的太空中疾驶前行飞船里的宇航员们正在聚精会神地工作四周一片宁静突然飞船里所有的东西包括飞船本身都旋转了起来越转越快越转越急而在飞船外面无数不知名的物体猛烈而又频繁地撞击着飞船飞船里陷入一片混乱报警器还没来得及鸣叫就彻底丧失了作用操作系统同时大面积崩溃宇航员与外界的一切联系中断宇航员们面面相觑不知道发生了什么事但这仅仅是噩梦的开始很快飞船似乎被一股令人恐怖的超强大力量包围起来了无形的力量肆意蹂躏着飞船将它压扁又拉长紧接着飞船被解体被粉碎与周围的宇宙物质混合在一起似乎被吸入一个无形的旋涡正在向一个令人恐惧的万丈深渊陷落陷落最后飞船消失了宇航员消失了一切都消失得无影无踪四周愈发黑暗陷入更深的沉寂引力造就的恶魔这场恐怖悲剧的制造者是谁是黑洞黑洞是我们宇宙中最奇怪最神秘的物体由于质量极其集中它的引力场非常大在其周围形成了一个极强的旋涡任何靠近它的物质都会被统统吸进去然后被牢牢囚禁在里面甚至连光线也被它强大的引力拉回洞里无法逃脱因此黑洞是宇宙中吞噬万物的恶魔是任何物质陷进去再也逃不出来的无底深渊那么如此恐怖的黑洞是如何形成的呢理论上任何物体只要将体积压缩至一定大小使表面的引力强大到能抑制光的射出则都能变成黑洞这情形就好比用一台威力巨大的压缩机把你压缩成原子的1000万亿之一直径不到10的负23次厘米的大小你就会变成一个黑洞同样的道理把地球压缩成一颗台球的大小或者把太阳压缩成半径为3公里的圆球它们也会变成黑洞可是事实上黑洞的形成条件是很苛刻的因为物体很难被压缩它有电磁力来连结原子和分子构成一张晶状网这张晶状网顽强地抵抗着强大的压缩力量所以只有一个物体的质量极大其向内坍缩的引力极其强烈才能制造出黑洞科学家们计算出当一颗死亡恒星的残骸的质量大于3个太阳质量时那个残骸还要不可避免地向内坍缩最终形成黑洞这也就是说引力是黑洞形成的决定性因素引力虽然在我们的日常生活中常常被忽视但却是宏观宇宙中最为重要的力量假定有一台引力调节机转动其旋钮就能改变引力的大小我们就会看到许多有趣的事当引力接近于0时任何一个物体都在空中晃晃悠悠地飘来飘去引力在1牛顿时这就是地球的引力作用人可以比较轻松地奔跑和跳跃但再也飘不起来了引力在3牛顿或4牛顿时人们就会动弹不得连移动一只脚也很困难引力再大一点人们根本无法站立了只得永远躺在地上引力达到100万牛顿时一切我们熟悉的东西都不能幸存只有光线看上去还是直的引力达到10亿牛顿之后不可思议的事情发生了原来笔直射向天空的光束出现了明显的弯曲而且引力越大光线弯曲得越厉害最后甚至会逆转回来射向地面就像一头扎进洞里永远不再出来这时黑洞就形成了黑洞视界被拉成面条的宇航员严格而言黑洞并不是通常意义下的星而只是空间的一个区域这个区域有什么奇妙的性质呢先看黑洞的表面它是一个球面称为视界但视界并不是黑洞这个物体的表面而是一个时空区域的边界因为连光波都被囚禁在洞里所以没有任何信号能够从黑洞里越过这条界线到达黑洞之外外界观测者永远也无法知道黑洞里发生些什么视界把我们与黑洞内部隔离开来要想实地探测黑洞内部情形唯一的途径是观测者本人坠入到黑洞里去但一个观测者如何穿越视界进入黑洞呢在视界附近他会遭遇到什么情况呢根据广义相对论强大的引力会使物体周围的空间发生强烈弯曲因此在靠近黑洞视界的地方空间的扭曲程度非常高任何一个冒险来到视界附近的宇航员都要遭受可怕的折磨在接近黑洞视界时如果宇航员的脚朝黑洞头朝外脚受到的引力就会被头大得多这种头和脚的引力之差就叫做潮汐力他的身体将被黑洞的潮汐力无限拉长像一根越拉越长的面条这就如同一个人吊在某个城市的高高的电视发射塔上而全城的人都吊在他的脚上最终潮汐力将把宇航员拉成两半在黑洞视界附近光线也变得不一样了它发生了引力红移由于强大的引力场作用黑洞视界附近飞船上发出的光波长会无限拉长频率会无限变低并向光谱的红端移动这就是引力红移越靠近黑洞视界红移现象就越明显从远处看去飞船越来越红越来越暗最后冻结在黑洞的表面上让我们现在来看一下时间的流动黑洞的强引力场不仅使空间弯曲同时也会使时间停滞时空弯曲的地方钟走得慢时空弯曲得越厉害钟就越走得慢因此如果我们在一个离黑洞遥远安全的地方关注着飞向黑洞视界的宇航员就会发现是靠近视界宇航员飞船上的时间越来越慢宇航员的动作也越来越慢飞船上时间不断变慢的结果就是飞船到达黑洞边界的时间变得无限长最后在黑洞的边界上时间就完全停止了宇航员像面条一样的身影似乎永远凝固在视界表面上这里的原因在于黑洞视界上的极其强大的引力场会把飞船的速度加速到相当于光速我们知道根据相对论飞船的速度越接近光速光线传递的时间间隔就越长使飞船上的宇航员看上去动作越来越慢当黑洞视界上最后的光线传到远处时再也没有后续光线传出来了那最后的光线就把宇航员越过视界时的姿势凝固了然而对于那个正在穿越视界的宇航员来说他看到的事情将是完全不同的在光速飞船里他看到的一切都正常钟表仍然以正常的速度走动除了强大的引力正在摧毁他的身体外他还没有感觉到黑洞视界上的其他奇特变化假如不向外看飞船周围吞噬一切的黑暗他也不会知道他正在进入可怕的黑洞世界最后一个穿越视界被黑洞吞没的宇航员将无法再出来无论飞船的火箭发动机如何强大他也无法发出任何信息任何信号即使是宇宙中最快速的信使光也无法逃离对外部观察者而言进入黑洞后的飞船和宇航员都发生了哪些事已经是另一个时空的故事了从这个意义上来说黑洞视界是宇宙中时空的分界在视界以外事物可以通过光信号在任意距离上相互联系这就是我们所居住的正常宇宙而在视界以内就是我们无法通过光信号与之联系的黑洞时空颠倒的世界在黑洞视界内的情况又是怎样的呢视界是一个单向膜只准进不许出广义相对论证明视界内物体不可能保持静止也不可能以稳定的轨道绕中心转动它唯一不可抗拒的命运是以极快速度落到黑洞中心对于质量为太阳10倍的黑洞物体从视界坠入黑洞中心时间还不到10万分之7秒多么惊人的速度因此在视界内部除黑洞中心区域有物质外其他地方完全是空无一物更为惊奇的是在黑洞的内部由于强大的引力潮汐力也很大物体向黑洞坠落的过程中潮汐力越来越大在中心区域引力和潮汐力都是无限大因此在黑洞中心除了质量电荷和角动量以外物质其他特性全部丧失原子分子等等都将不复存在即使是质量电荷和角动量也不可能是某一部分物质特性而是黑洞整体的物理属性了在中心全部物质被极为紧密地挤压成为一个体积为零的几何点任何强大的力量都不可能把它们分开在这种情形下无法谈论黑洞的哪一部份物质黑洞是一个统一体然而惊奇还没有结束在黑洞里时空竟然颠倒了我们知道在黑洞外部区域物体在三维空间中任何方向上的运动都是可能的无论前进或后退向左或向右朝上或朝下都没有任何问题但是时间只朝一个方向流动即从过去到将来这是一个指向坐标即确定方向事物的因果关系都是由时间流动来确定的而在黑洞里角色颠倒过来了空间变得不可逆转所有的物质在空间上都指向一个目标黑洞中心的奇点就像黑洞外所有事件都必然朝向未来一样而时间在这里变成了一段空间距离最后在黑洞的奇点处时空融为了一体这就是黑洞世上最奇异的事物现在我们来看看奇点我们这个宇宙中最极端最不可能的事物是怎么成为现实世界中成员的奇点通向新宇宙的出口所有穿过视界进入黑洞的物质都不可避免地向黑洞中心坠落坠落最后黑洞里所有物质都集中到奇点上那个黑洞中心微小的几何点在奇点处引力潮汐力物质的密度等都是无穷大时空无限弯曲直至最终消失奇点是时空的边缘是时空的终结点像一张纸的边缘一样不同的是纸上的蚂蚁可以爬到边缘然后退回来但任何东西都不可能离开奇点不管是宇航员粒子波还是别的什么只要碰到奇点都会在瞬间毁灭其实数学家经常遇到奇点的问题举个例子来说设一个分母为X的分数当X等于零时以零为分母的分数就会形成一个奇点整个分数变成无限大但是没有什么人真的费神去理他这只是一种抽象的数学游戏当物理上碰到无限的时候情况就不一样了奇点这个一切都趋于无限的区域连时空都趋于无限弯曲广义相对论方程已无法处理这种趋于无限的东西就像分母为零的分数在数学上无法处理一样因此广义相对论定律彻底失效但奇点上所发生的事仍然需要解释这时就必须应用现代物理学中的量子理论了量子理论告诉我们奇点实际上是粒子被无穷大引力压碎后暴露出来的微小时空结构这样