也来说说黑洞吧

人类史上第一张直接拍摄的黑洞照片已经出来了,扎扎实实地确认了黑洞的存在,虽然以前从理论和间接观测都得到同样的结果,毕竟不如直接证据证据有说服力,而且还能更多地了解黑洞。就像我们都用微信,都知道有张小龙这个人的存在,如果哪天一起坐下来吃顿饭,还拍了个合照,这感觉就很不一样了。

要说黑洞,自然离不开伟大的爱因斯坦,不过先不急,我们先从欧几里得开始说起。这个人的厉害之处在于提出了一套「公理化方法」,由极少数不需要证明的公理,衍生出许多可被证明的定理,再通过这些定理去解决具体的数学问题。

他提出了平面几何的五条公理:

  1. 从一点向另一点可以引一条直线。
  2. 任意线段能无限延伸成一条直线。
  3. 给定任意线段,可以以其一个端点作为圆心,该线段作为半径作一个圆。
  4. 所有直角都相等。
  5. 若两条直线都与第三条直线相交,并且在同一边的内角之和小于两个直角,则这两条直线在这一边必定相交。

其中第 5 条又可导出这个命题:

通过一个不在直线上的点,有且仅有一条不与该直线相交的直线。

有没有发现第 5 条特别长,看上去也不太自然,于是许多几何学家尝试用其他公理来证明这条公理,但都没有成功。正着来不行,那就反正来,于是就有了非欧几何,黎曼 以「一条平行线也不能引」为新公设,引出黎曼几何(椭圆几何)。

可能黎曼自己都不知道,他这套几何体系到底能用来干什么,在爱因斯坦手里却成了完善广义相对论的有力武器(爱因斯坦之前不太重视数学,这让他吃了不少亏)。广义相对论是用来描述引力的,在这之前牛顿的万有引力定律已经盛行了 200 多年,几乎没有问题(跟水星的自转轨道实际结果有点微小出入),但它没有解释引力到底是啥。在爱因斯坦眼里,引力就是时空的弯曲,就像一个很重的球被放在一张被拉紧的橡皮膜上。橡皮膜会在球的周围向下弯曲。如果你在橡皮膜上涂上肥皂,任何在橡皮膜上行走的东西,如果走到弯曲的部分,就会向下滑向那只球。宇宙的构造就像是一个 3D 或者 4D 不可见的膜。引力就仅仅是宇宙弯曲的结果。

通过广义相对论,可以预言某些大质量恒星终结后,会形成时空极度扭曲以至于所有物质(包括光)都无法逸出的区域,黑洞,虽然爱因斯坦本人并不愿意相信黑洞的存在。类似的情况也发生在了量子领域,为了解释黑体辐射,他提出光的能量在空间中的分布不是连续的,而是由有限数目的「能量量子」组成,能量量子不可再分,然后就打开了量子理论世界的大门,但当玻尔等人进去后告诉他里面的世界有多神奇时,他却不愿相信,因为「上帝不掷骰子」。

再来说回黑洞,黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽后,发生引力坍缩而形成。以我们的太阳为例,太阳作为一颗恒星,它的引力是很大的,会把周围的物质(主要是氢原子)拉向核心,以巨大的压力挤压它们,然后电子就被挤走了,原子核们重新结合成更大的原子核(氮、碳、氧等),这个过程会损失一部分质量,爱因斯坦说质量跟能量其实是一回事(质能方程),虽然两个原子核融合释放的能量比较少,但抵不住原子多啊,这些核聚变产生的能量向外扩张正好跟引力带来的内向压力平衡,因此太阳有一个稳定的大小(PS:地球上的一些多质子原子,比如金子,其实是上一代或上上一代恒星爆炸的产物···)。

太阳死后会变成黑洞么?不会,因为它质量不够大,只会变成白矮星。

那黑洞到底是啥?(是不是很像小程序二维码···)

黑洞是一块质量极大的天体,但它的中心却极小,比原子核还要小 1 万亿倍,没有什么能逃得过它的引力,光子也不行,因此外部无法直接观测到它(因为光出不去)。三体里提到过一个「黑域计划」,可以实现在宇宙尺度上实现安全声明从而避免黑暗森林打击,原理是让光的真空速度变为第三宇宙速度——连光都无法离开太阳,从远处看这里就是一篇空白,但人类也因此永远无法离开太阳系。

下面这张图部分同学应该非常熟悉···

那到底离黑洞中心多远才有可能不被吸进去呢?这就要引出「视界」的概念,假定存在这么一个球面,在这个球面内发出的光不可避免地被拉回黑洞,而从球面外发出的光能逃脱黑洞的引力,这个球面就是视界,球面到中心的距离也被称为「史瓦西半径」。

那这些被吸引去的东西,会变成什么呢?会从其他地方以某种形式出来么?这个就不知道咯,可能里面还有一个小世界,它们在里面过着幸福的生活也说不定···

那么问题来了,这个看不着的东西,如何证明它的存在?最好的办法自然是派一个信使进去,全方位测量之后,再把结果送出来,只可惜任何东西一旦被吸进去就再也出不来了,这个测量信息自然也无法送出来。看起来只能间接地观察了,怎么做呢?还是从电磁波入手。在远离黑洞的地方,气体原子很冷,只有绝对几度,因为冷,它们振动慢,缓慢的振动产生缓慢振荡的电磁波,这些就是无线电波;在离黑洞较近的地方,引力作用下的原子流较快,它们相互碰撞,加热到几千度的高温,它们振动较快,发出振荡较快、波长较短的波,也就是不同颜色的光;离黑洞更近的地方,引力更强,原子流更快,碰撞更剧烈,温度更高(几百万度),原子极快地振动,产生波长很短的电磁波:X 射线(离中心更近的地方还会发射出 γ 射线)。通过捕捉这样的射线就能感知到黑洞的存在,甚至描绘出它的模样(X 射线和我们看到的不同颜色的光本质上没什么区别,只是波长不一样的电磁波)。

这次拍摄也是用了类似的方法,就像用 X 光照射身体的某个部位可以得到一张影像一样,只是拍黑洞的难度要大得多。随着对黑洞了解的加深,不知道还会挖出什么有趣的东西,拭目以待吧。


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