張帆
北京師范大學(xué)天文系副教授
彎曲的時(shí)空
要想明白為什么黑洞看起來像甜甜圈，就要先知道廣義相對(duì)論。
廣義相對(duì)論的誕生最早可追溯到比薩斜塔的實(shí)驗(yàn)，伽利略將一個(gè)重球和一個(gè)輕球同時(shí)從斜塔上扔下來，它們最后居然同時(shí)落地。
比薩斜塔實(shí)驗(yàn)
結(jié)果出乎人們的意料。愛因斯坦后面細(xì)想這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，意識(shí)到引力和其他的力完全不一樣。
比如電磁力，如果讓兩個(gè)同樣的物體帶上不同的電荷，然后把它們放到電場(chǎng)里面，一個(gè)會(huì)加速快，一個(gè)會(huì)加速慢，然后它們兩個(gè)就分開了。
通過這個(gè)辦法，我們能知道某處是否有電場(chǎng)。
但是在引力場(chǎng)的作用下，兩個(gè)物體永遠(yuǎn)同步下落，我們沒有辦法區(qū)分，到底是因?yàn)橐?chǎng)的作用它們才下落，還是其實(shí)這兩個(gè)物體是在太空中飄著的，只不過是我們作為參照物的電梯加速往上走，才顯得它們加速向下運(yùn)動(dòng)。
在這種情況下，愛因斯坦就想了，如果在任何實(shí)驗(yàn)下都不能區(qū)別這兩種情況，那么物理作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)科學(xué)應(yīng)當(dāng)認(rèn)定他們是一樣的。
換句話說，引力不是力，它并沒有加速物體，人們平時(shí)生活中所經(jīng)歷的引力效果，大多是因?yàn)槿藗冞x了比較奇怪的參照物。
話雖如此，也不是說引力在任何時(shí)候都是沒有效果的，引力當(dāng)然存在，只是它不是一個(gè)正常的力。在大尺度上，它的效果就體現(xiàn)出來了。
下落的兩電梯
好比這張圖顯示的思維實(shí)驗(yàn)的情況，一開始這兩個(gè)電梯是平行下落的，但到后來它們會(huì)撞到一起。因?yàn)橐Φ淖饔脮?huì)引導(dǎo)它們向地心的方向走。
如果引力不是力，那不受力的物體應(yīng)該沿直線運(yùn)動(dòng)，為什么沿直線運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)在開始的時(shí)候平行的物體走著走著到后面就不平行了？
很明顯，這種情況無法在平面上發(fā)生，但在曲面上，就有可能發(fā)生。
這個(gè)時(shí)候愛因斯坦就想，引力不是力，引力其實(shí)代表著時(shí)空的彎曲。
物體走直線，這件事在一任意的形狀上面，意味著它會(huì)走這個(gè)形狀上最短的線，而形狀本身很奇怪的話，這些線也會(huì)表現(xiàn)出來很奇怪的特點(diǎn)。
我們現(xiàn)在就可以理解為什么在一個(gè)電梯里面，我們沒有辦法測(cè)出引力存在不存。但是在一個(gè)大的尺度上，在引力場(chǎng)有變化的時(shí)候，引力的效果就體現(xiàn)出來了。
想象你是一只螞蟻，位于圖中黑色的小圈里，你其實(shí)無法區(qū)分你究竟是在上方的平面上，還是在下方的曲面上，這有點(diǎn)類似我們身處地球，卻不知道地球是圓的。
你只有把自己拉出來，放到一個(gè)很大的尺度上，看到了引力場(chǎng)的變化，也才會(huì)知道原來你是在一個(gè)彎曲的面上的。
這種引力的變化也叫潮汐力，可以說，引力的效果主要是通過潮汐力來體現(xiàn)的。
引力既然是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)，那么產(chǎn)生引力的物質(zhì)就必然要彎曲時(shí)空，物質(zhì)怎么彎曲時(shí)空呢？
如果引力不是力，為什么我現(xiàn)在跳一下，沒有受到力的我不會(huì)飛到太空里面去呢？
事件視界
一條魚拼命想游出瀑布
其實(shí)，你可以這樣想象，空間就像一條瀑布，水不斷地往下流，越往下流速越快，所以即便我往上跳，但還是被瀑布給沖下來了。
換而言之，在宇宙里，如果一個(gè)很小的范圍里有著一個(gè)質(zhì)量很大的物體，這個(gè)物體周圍瀑布的流速會(huì)很猛，那么以最快速度游動(dòng)的魚也沒有辦法游出去。
愛因斯坦曾說，宇宙里速度最快的是光速，如果一條光速游動(dòng)的魚都逃不出去，那么這個(gè)瀑布就叫作黑洞，黑洞的邊際叫作事件視界。
在瀑布邊緣試探的船
在事件視界之外，光雖然不會(huì)被吸進(jìn)去，但也會(huì)受到影響。就像圖片中的這條船，即便人們?cè)倥Φ匮刂本€劃，因?yàn)闄M向水流很快，也還是會(huì)受到影響而被拖著拐彎。
黑洞周圍彎曲的光
黑洞周圍的光不只會(huì)彎曲，還會(huì)繞著黑洞轉(zhuǎn)圈圈。
繞黑洞轉(zhuǎn)的氣體
這時(shí)如果在黑洞周圍放一團(tuán)炙熱的氣體，讓它繞著黑洞轉(zhuǎn)，那么你就會(huì)看到它有好多個(gè)影子。
我們可以把黑洞想象成一個(gè)哈哈鏡，從不同角度去看它，它就會(huì)把這團(tuán)氣體映射出很奇怪的影像。
像甜甜圈的黑洞
所以這張像甜甜圈的照片，黑洞其實(shí)在中間位置黑色的里面，圍繞它的那一圈是黑洞外面的物質(zhì)所發(fā)射出來的信號(hào)，被像哈哈鏡一樣的黑洞折射出來的射電信號(hào)。
當(dāng)然這景象實(shí)際上人的肉眼是看不到的，因?yàn)槿耸强床坏轿⒉ǖ?。這張圖實(shí)際上是根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度做出來的。
如果人類真的可以跑到黑洞附近去觀看，會(huì)看到黑洞周圍是彩色的，這是因?yàn)槔@著黑洞轉(zhuǎn)的這些氣體，在不同的地方溫度不一樣，發(fā)射出來的顏色也就不一樣，所以才會(huì)呈現(xiàn)彩色效果。
黑洞周圍氣體因不同溫度發(fā)射出不同光彩
所以黑洞甜甜圈的照片其實(shí)是根據(jù)大量數(shù)據(jù)處理出來的，但實(shí)際想拍攝到這樣的照片也還是非常非常難的。
照片中的黑洞本體在5500萬光年以外，而且黑洞本身很小，在天空上基本是一個(gè)小點(diǎn)兒，人們想在小點(diǎn)兒上分辨出明暗，這是非常難的。
用干涉陣列來看遙遠(yuǎn)的黑洞
所以要得到這么精細(xì)的照片，就必須要有特別高的角度分辨率。那么怎樣才能獲得這么高的角度分辨率呢？
通過干涉陣列的方法。黑洞的信號(hào)在某一時(shí)刻齊頭并進(jìn)向外傳播，而它們到達(dá)地球上各個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間是有差別的。
時(shí)間差明顯與虛線和實(shí)線之間的夾角相關(guān)，所以利用時(shí)間差，科學(xué)家們就能用干涉的方法將這些信號(hào)的來源方向提取出來。
時(shí)間差又和實(shí)線的長(zhǎng)度成正比。換句話說，如果把兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間的距離拉的特別長(zhǎng)，你會(huì)得到一個(gè)比較大的時(shí)間延遲，在儀器精度不變的情況下，你就可以得到特別高的角度分辨率了。
這就是為什么這次參與拍攝黑洞的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，涵蓋了從格陵蘭島到南極，不同地方的望遠(yuǎn)鏡，之間的距離達(dá)到地球直徑。
我們可以用大型儀器觀看遙遠(yuǎn)星際里很大的黑洞，也有可能用一些高端儀器在地球上造出來很小的黑洞。
這位老先生叫Kip Thorne，是電影《星際穿越》的科學(xué)顧問。
他提出來一個(gè)猜想：如果給定一個(gè)物體，根據(jù)它的質(zhì)量做一個(gè)特別小的呼拉圈，然后讓呼拉圈各種轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)的過程中始終能把這個(gè)物體包含在內(nèi)，那么這個(gè)物體必定是一個(gè)黑洞。
大型的粒子對(duì)撞機(jī)也能夠把很高的能量，也就是很大的質(zhì)量集中在一個(gè)很小的范圍里，所以根據(jù)這個(gè)猜想也是有可能造出一個(gè)黑洞的。
如果我們真的用粒子對(duì)撞機(jī)造出了黑洞，它會(huì)吞噬地球嗎？
這是不可能發(fā)生的。首先，形成黑洞是很難的。要兩個(gè)粒子對(duì)得特別準(zhǔn)，正好迎頭撞上，如果不在微小的尺度上修改引力，引入一個(gè)高維空間，想要做到這點(diǎn)實(shí)際上很難。
而黑洞即便產(chǎn)生之后，也會(huì)面臨霍金蒸發(fā)，而且越小的黑洞蒸發(fā)越快，黑洞很快就沒了。
這個(gè)“蒸發(fā)”的說法是霍金提出來的，但即便霍金說錯(cuò)了，黑洞不會(huì)蒸發(fā)，它能長(zhǎng)期而穩(wěn)定地存在，那它也不會(huì)吞噬地球。
因?yàn)樗^黑洞引力強(qiáng)，只有在距離黑洞特別近的地方才能體會(huì)到，離黑洞比較遠(yuǎn)的時(shí)候，黑洞的引力實(shí)際上跟一個(gè)同等質(zhì)量的基本粒子沒什么區(qū)別，不會(huì)把遠(yuǎn)處的物體吸過去吞掉。
我們周圍的這些東西基本都是真空，因?yàn)樵雍撕驮拥拇笮〔钪f倍。
就算科學(xué)家能造出黑洞，那也比原子核小得多得多，基本沒有什么能跑到距離黑洞特別近的地方給它“吃”，所以黑洞最多沉到地球中間，就靜靜地“坐著”。
掉進(jìn)黑洞會(huì)有什么體驗(yàn)
雖然我們沒在地球上作死，但經(jīng)常在電影里面的大黑洞那里胡鬧。例如《星際穿越》中的男主角Cooper后來跳到了黑洞里。
影片中的他在經(jīng)過事件視界的時(shí)候，沒有任何感覺，然后就進(jìn)去了。
這是因?yàn)椋怯谐毕Φ拇嬖冢?strong>否則根據(jù)等效原理，物體在自由落體時(shí)是沒有任何感覺的。
超大黑洞的潮汐力其實(shí)很弱，因?yàn)橐﹄m然很強(qiáng)，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沒什么變化。所以Cooper在通過事件視界的時(shí)候并沒有什么不適。
所以黑洞的引力場(chǎng)雖然強(qiáng)，但因?yàn)闆]有什么潮汐力，所以Cooper并沒有什么不適。
掉進(jìn)黑洞的Cooper
直到他掉到中間接近奇點(diǎn)的時(shí)候，如果頭朝下掉就會(huì)被撕碎，如果橫著掉就會(huì)被壓扁。
影片中的女主角布蘭德，也就是安妮·海瑟薇飾演的那個(gè)角色，她坐在宇宙飛船里其實(shí)是看不到Cooper掉到黑洞里面的，她會(huì)以為Cooper一直凝固在事件視界上，為什么會(huì)這樣呢？
手繪時(shí)空?qǐng)D
大家請(qǐng)看這張手繪的時(shí)空?qǐng)D，豎著的代表時(shí)間，橫著的代表空間，直線代表事件視界，曲里拐彎的線代表奇點(diǎn)，弧線代表Cooper的運(yùn)動(dòng)軌跡。
我們剛才說了，事件視界的定義是任何光都永遠(yuǎn)無法逃脫的地方，換句話說，光沿著事件視界在運(yùn)動(dòng)。
如果想讓布蘭德看到Cooper，那必須得有光從Cooper那里發(fā)出來，并達(dá)到布蘭德的眼睛。
但因?yàn)楣鉄o法從事件視界里逃脫出來，所以里面的光永遠(yuǎn)到不了布蘭德的眼睛，布蘭德也就永遠(yuǎn)不知道Cooper掉進(jìn)黑洞了。
布蘭德只會(huì)看到Cooper走得越來越慢，最后貼到事件視界上不動(dòng)。如此看來，事件視界真是很奇妙。
但還有更奇妙的。這段動(dòng)畫展示了兩個(gè)黑洞合并時(shí)的狀態(tài)，兩個(gè)黑洞的事件視界最終合并成了一個(gè)單一的事件視界。
請(qǐng)大家注意觀察，兩個(gè)事件視界在合并的時(shí)候，就像兩只小手在牽手一樣。它們?cè)趺催@么厲害？它們?cè)趺粗缹?duì)方要往哪個(gè)方向伸手？怎么知道未來會(huì)發(fā)生什么事？怎么確定它們就能完美地合并呢？
這其實(shí)涉及到了事件視界的另一個(gè)特性——預(yù)知未來。事件視界的定義是光“永遠(yuǎn)”無法從事件視界里逃脫，所以光在某一時(shí)刻其實(shí)并不知道自己是否位于事件視界里，只有一直等到宇宙滅亡，它才會(huì)知道自己最后到底有沒有跑掉。所以事件視界的定義就限定它不是由局部的物理就能決定的。
褲子圖
這張圖描繪了兩個(gè)小黑洞合并成一個(gè)大黑洞，這個(gè)圖也叫褲子圖。在黑洞合并的過程中，實(shí)際上黑洞的質(zhì)量會(huì)減小，因?yàn)橛幸徊糠帜芰勘灰Σ◣ё吡恕?/p>
但是Bekenstein和霍金告訴我們，黑洞的表面積實(shí)際上是增大的。
各領(lǐng)域科學(xué)家眼中的黑洞
這好像有點(diǎn)違背常理，不過在經(jīng)典物理的情況下，情況確實(shí)是這樣，只是轉(zhuǎn)到量子力學(xué)領(lǐng)域，情況就會(huì)不一樣了。
量子力學(xué)對(duì)真空的定義是根據(jù)觀測(cè)者而定的。《星際穿越》中的Cooper看到的是真空，周圍什么都沒有。
但在宇宙飛船里的布蘭德看到的是黑洞周圍有很多粒子，這些粒子組成的體系有溫度，黑洞就會(huì)產(chǎn)生熱輻射，這就叫霍金輻射。
在宇宙真空環(huán)境里，不斷會(huì)有一對(duì)粒子產(chǎn)生出來，它們互相抵消然后消失，之所以能這樣，是因?yàn)?strong>測(cè)不準(zhǔn)原理。
測(cè)不準(zhǔn)原理認(rèn)為，在一個(gè)很小的時(shí)間范圍內(nèi)，能量是測(cè)不準(zhǔn)的，所以能量不需要守恒。
你可以造出兩個(gè)粒子，只要它們能在短時(shí)間內(nèi)抵消再消失，把能量還回去，那一切都沒事兒。（當(dāng)然實(shí)際上，量子力學(xué)在計(jì)算的時(shí)候，會(huì)用另一個(gè)等效的方法，還是假設(shè)能量守恒，但是給這兩個(gè)粒子特別奇怪的能量值，這樣一來，質(zhì)能方程E=mc2就不能用了。）
但這種粒子產(chǎn)生再消亡的情況如果發(fā)生在黑洞附近，情況就會(huì)變得復(fù)雜些，比如其中一個(gè)粒子掉到黑洞里，或者一開始就在黑洞里，而另一個(gè)粒子在黑洞外，那里面的粒子就沒法出來和外面的粒子抵消，外面的粒子就能跑掉，帶走它的能量，這樣就無法償還能量給真空。這筆賬需要黑洞替它還。
長(zhǎng)期下來，黑洞的能量就被弄走了，黑洞就會(huì)逐漸變小，直至最后炸掉、消失。而跑掉的粒子就是霍金輻射。
霍金輻射還有一個(gè)特別奇妙的地方，它是純正的黑體輻射，它只和黑洞的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)速度和電荷相關(guān)，和黑洞由什么組成沒有任何關(guān)系。
你扔本字典和扔塊石頭進(jìn)去，它們對(duì)霍金輻射的影響都是一樣的，我們沒有辦法通過霍金輻射識(shí)別最開始扔的是字典還是石頭。
這和太陽的黑體輻射還不一樣，太陽的輻射里面其實(shí)有很詳細(xì)的細(xì)節(jié)信息，只不過人們?nèi)藶榈睾雎运鼈儯靡粋€(gè)大寫意的方法，用熱力學(xué)來描述太陽輻射，人為地把那些信息忽視了。
而霍金輻射是沒有細(xì)節(jié)的，無所謂是什么信息，被黑洞給吞了以后就出不來了，直到黑洞蒸發(fā)消失，這些信息也就跟著消失了。
不過，信息憑空不見的說法讓一群人無法接受，他們就是量子物理學(xué)家。
回到霍金輻射。之所以會(huì)有霍金輻射，其實(shí)是以粒子犧牲同伴到黑洞里為代價(jià)的。所以輻射跑出來的粒子其實(shí)已經(jīng)和掉進(jìn)去的粒子之間糾纏在一起了，那它想按量子信息學(xué)家要求的那樣和其它跑出來的粒子之間糾纏上的話，就需要先和里面的粒子斷交。
有量子力學(xué)專家認(rèn)為斷交的結(jié)果是在事件視界附近形成了一個(gè)充斥著極高能量粒子的區(qū)域——火墻。
這樣一來，Cooper就不是像經(jīng)典物理學(xué)家說的那樣，會(huì)毫無感覺地通過事件視界，完全不知道自己面臨死亡的威脅。
相反，Cooper會(huì)被火墻燒焦，甚至直接燒成渣。這種說法直接違反了愛因斯坦廣義相對(duì)論的等效性原理——除去潮汐力，以自由落體方式落入黑洞的人感受到的物理規(guī)律應(yīng)當(dāng)和漂浮在空曠的星系空間的人相同。
而且確定事件視界的位置需要能預(yù)知未來，如果要放火墻在那上面，難道要讓火墻去預(yù)知未來嗎？
如果這樣的話，整個(gè)物理學(xué)都要被重新改寫了。很多人認(rèn)為既然要做那么多的改動(dòng)，還不如承認(rèn)信息丟失算了，把量子力學(xué)的理論改一改，別總試圖改相對(duì)論。
尤其像羅杰·彭羅斯，他認(rèn)為黑洞信息丟失是他所提議的循環(huán)宇宙模型中很關(guān)鍵的一部分。
總而言之，黑洞除了在觀測(cè)上非常有意思，能帶給我們很奇妙的照片外，它其實(shí)非常適合做思維試驗(yàn)，是可以憑空就能推動(dòng)科學(xué)發(fā)展的東西。
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