当一颗质量足够大的恒星结束生命,或者两颗质量足够大的恒星残骸合并,就会形成黑洞,黑洞周围会形成与其质量成正比的视界和一个由下落物质组成的吸积盘。当你坠入黑洞时会发生什么?
正常的物质被地球阻挡,但是暗物质会直接穿过地球,形成一个近乎完美的椭圆。如果作用在物质上面的唯一的力是引力,其他一切都可以忽略的话,那么这是任何系统都会经历的结果。我们要意识到的第一件事是:只要我们在这个宇宙中,没有任何其他东西碰着我们,那么我们就是自由的。这不是指在法律或人权意义上的自由,而是指不受任何外部影响的推动或牵引。
我们可以用宇航员在太空中自由漂浮的方式来思考这个问题,自由的意思是没有地面可以把我们推上去,没有空气分子可以冲击我们,没有椅子可以坐,没有其他人可以碰到我们。
美国宇航局宇航员布鲁斯·麦克坎德莱斯在STS-41-B上进行了有史以来最长的无系绳太空行走。没有任何东西碰到他,他可以自由地体验重力以外的任何力。当然,我们可能感觉不到,但是重力一直在拉着我们。这重力是我们在地球表面感受到的那种力量吗?不是!这是由椅子、地面或其他支撑我们的表面的力所平衡的重力。把那些力量拿开,就像从地面上跳起来时的感觉,那种瞬间的失重感就是自由落体的感觉。
然而,在我们真实的宇宙中,到处都是质量。地球是一个质量,太阳是一个质量,宇宙中所有的世界,恒星和星系都是质量。如果你能想象空间本身,它不会是一个完全平坦的网格,它会因为这些质量的存在而扭曲。当你在重力的影响下在宇宙中移动时,扭曲的网格将决定你如何移动。
忽略重量会使原本是“直线”的线变成特定数量的曲线。在广义相对论中,我们把空间和时间看作是连续的,但所有形式的能量,包括但不限于质量,都会导致时空曲率。这就是重力:空间在质量和能量的存在下扭曲的方式,以及它对空间中存在的其他物体的影响。
随着质量在空间中移动,空间的结构也在不断变化。当地球绕太阳运行时,空间的扭曲就会发生变化。当太阳绕着星系运动时,空间的曲率就会改变。当恒星形成、生存、爆炸和死亡时,空间的结构就会发生变化。
这都是伟大的宇宙之舞的一部分,也是重力故事的一部分。随着质量的移动和变化,随着宇宙的膨胀,随着宇宙中一系列过程的发生,空间的结构发生了变化。但通过这一切,重力仍然是真实的,并不断地拉着我们所有人,仿佛我们是自由落体。
一个生动的关于时空在质量运动时如何反应的动态图展示了整个空间本身是如何被宇宙中物质和能量的存在和性质所弯曲的。如果你以足够的速度从正确的位置以正确的方向运动,你就可以围绕宇宙中的任何质量建立一个稳定的轨道。
但是如果你做错了,就会回到轨道上。没有足够的速度发射火箭,火箭就会落回地球。把行星减速,它就会掉到太阳上去。减慢一颗绕轨道运行的恒星的速度,它就会落到星系的中心。
在最极端的情况下,如果你搞错了,就会掉进黑洞。黑洞是一种终极质:一种密度如此之大、质量如此之大、密度如此之小、以至于一旦坠入其中,就再也出不去的质量。即使在宇宙的极限速度——光速——你也无法逃脱。
黑洞视界外的高度弯曲时空的图解。随着你越来越靠近质量的位置,空间变得越来越弯曲,最终导致一个连光都无法逃离的位置:视界。当你靠近黑洞的视界时,会发生很多违反直觉的事情,当你穿过视界时,情况会变得更糟。有一个非常非常好的理由可以解释为什么一旦你冲过那个无形的障碍,你就永远出不去了。
当你离黑洞很远的时候,空间的结构就不那么弯曲了。事实上,当你离黑洞很远的时候,它的引力和其他质量是无法区分的,无论是中子星,普通恒星,还是弥散的气体云。时空可能是弯曲的,但在遥远的地方,它是由于质量的存在,而不是质量的性质或分布。
黑洞和别的天体一样,它只是看起来不一样而已,因此你会自由落体。
在银河系背景下形成的黑洞轮廓的可视化图片。视界是黑暗的区域,没有光可以从那里逃脱。当你开始靠近时,你会感到一种奇怪的力量在拉着你的身体。如果你的脚比你的头更靠近视界,你会感觉到从头到脚的伸展,而你的身体两侧会受到挤压。这些是潮汐力,正是潮汐力导致了地球海洋的膨胀。
只是,黑洞要强大得多,它的潮汐力会随着你离得越近而极其严重地拉伸和压缩你。它们会把你拉成一条又长又细的线。科学家很久以前就认识到这一点,而实际上有一个最有趣的词来描述一个物体坠入黑洞时发生的事情:意大利面!
即使你一开始是一个完美的球体,你也会在黑洞的方向上被拉伸,在垂直于黑洞的方向上被压缩。物体中心的力等于平均合力,而远离中心的不同点会受到不同的合力。这就产生了“意大利面化”效应。你所看到的也会同样迷人。从很远的地方,你会看到它周围的空间是弯曲的,仿佛这个质量提供了一个巨大的宇宙透镜来扭曲它周围的所有光线。但当你乘坐装备精良、坚不可摧的宇宙飞船旅行时,当你接近这个黑洞时,就可以注意到一些奇怪的东西。
当你靠近它的距离是以前的两倍时,它的角度看起来会比以前大两倍。当你再次将距离减半时,它似乎又变得更大了,比最初的四倍还大。
不像你所熟悉的其他物体,它们看起来会随着你离它们的距离而变得更大,这个黑洞看起来比你想象的要快得多,这要归功于空间不可思议的曲率。
由于广义相对论对空间的拉伸和扭曲作用,来自黑洞后面的光线会在它周围弯曲,留下一个巨大的黑暗圆盘,与黑洞的视界相对应。原因很简单。质量会扭曲时空,但当你越来越接近一个密度极高、质量很大的物体,比如黑洞,空间的曲率就会变得越来越严重。这增加了潮汐力,当然是意大利面的力量,但它也增加了来自黑洞周围的光弯曲的量。
与它实际的物理尺寸相比,事件视界将开始显得非常巨大!遥远的恒星看起来会灾难性地扭曲它们的位置,事件视界将开始占据你的整个视野。
当你坠入黑洞或仅仅是非常接近视界时,它的大小和规模看起来比实际大小大得多。对于旁观者来说,你的信息会被编码在视界上。黑洞蒸发时这些信息会发生什么人类暂时不得而知。当你越来越接近视界时,它开始覆盖你面前的一切。一旦你跨越了那个事件的视界,你的命运就注定了。除了中心的奇点,没有任何能量可以把你带到任何地方,奇点会在几秒钟内把你压成亚原子粒子。
当你还没有越过事件视界,就仍然可以出去。如果你提供足够的加速度远离视界,你就可以逃离它的重力,回到安全的、远离黑洞的、渐近平坦的时空。
当你坠入黑洞时颜色会发生变化。当外部光线撞击你眼睛的时候,你会觉得它更蓝,因为额外的空间引力曲率加速了。
如果你继续向事件视界坠落,你最终会看到星光压缩成你身后的一个小点,由于引力的蓝移而变成蓝色。在你进入视界之前的最后一刻,这个点会变成红,白,蓝,因为宇宙微波和无线电背景会变成光谱的可见部分。需要强调的是,仍然假设没有其他东西落在你身上。
这可能是所有人都能看到的宇宙微波背景中最奇异的景象:在你遭遇黑洞中心奇点前的最后时刻,来自身后某一点的蓝移能量。然后……除了黑暗,什么都没有。在事件视界内,没有来自外部宇宙的光,不管你怎么发动引擎,不管你做什么,都没有出路。无论你朝哪个方向前进,奇点都在你面前。
但实际上你看不到奇点,因为这个严重弯曲的空间很奇怪。实际上有来自外部世界的光线跟随你进入黑洞,穿过你之前的视界,和你一起。
从你穿过黑洞视界的那一刻起,只需要几秒钟,你就会被压成碎片。但在最大的黑洞中,它们有可能通向另一个地方:一个白色的黑洞、或者另一个宇宙、或者是一个新的物理现实,它隐藏在我们看不见的视界后面。人类无法从外部获得关于视界内部的任何信息,人类有的只是理论。
如果真的有人进入黑洞了,那么他/她将是世界上唯一一个确切知道它是什么样子的人,也将是第一个发现黑洞内部秘密的人。
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