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黑洞的事件視界:光子、引力、意大利麵化,以及想象力的界限

黑洞的事件視界:光子、引力、意大利麵化,以及想象力的界限

4月10日,國際事件視界(Event Horizon)望遠鏡項目發布了其黑洞成像計劃的第一批結果。結果不出所料,黑洞的照片是個黑色的洞,想搞清楚“為什麼黑洞是黑色的”,我們首先要清楚“事件視界”。

黑洞的事件視界:光子、引力、意大利麵化,以及想象力的界限

事件視界是什麼?

我們知道,人類的視力與光有關:一個物體反射的光子進入人的眼球,落到視網膜上,形成了物體的倒像,然後大腦把畫面轉過來,就形成了最終的視覺。也就是說,人類看東西需要有光,而黑洞的引力往往能將光束縛起來,所以我們看黑洞是黑色的(確切地說是無色無光),黑洞最外層的“黑邊”就是事件視界。

黑洞的事件視界:光子、引力、意大利麵化,以及想象力的界限

事件視界與物體的逃逸速度有關,所謂逃逸速度就是一個物體為了逃避黑洞的引力而需要超過的速度。某物越接近黑洞,它逃離黑洞巨大引力所需的速度就越大。事件視界是逃離黑洞引力周圍的閾值,它的逃逸速度超過光速。

黑洞的事件視界:光子、引力、意大利麵化,以及想象力的界限

根據愛因斯坦的狹義相對論,沒有什麼能比光速更快地穿越真空。這意味著黑洞的事件視界基本上是沒有任何東西可以逃離的邊界,所以事件視界(event horizon)這個名字是指不可能目睹的在該邊界內發生的任何事件,即人們無法看到的眼界極限。

哈佛大學天文學主席阿維·勒布曾經比喻說:“事件視界就像一堵終極監獄牆,人們可以進入,但永遠不會離開。”

當某物接近事件視界時,觀察者會看到某物的映像變紅並變暗,這是因為引力扭曲了來自該物品的光線。在事件視界,這個映像最終會淡化為無形,也就是說某物隱形了。

黑洞的事件視界:光子、引力、意大利麵化,以及想象力的界限

在事件視界中,人們會發現黑洞的奇點,之前的研究表明,某物如果進入黑洞,組成它的物質會坍縮到無限密集的程度。

這意味著奇點周圍的空間和時間結構被無限度地彎曲了,這種現象與宏觀宇宙相抵觸,會導致我們現在所知道的物理定律崩潰。對此,勒布說:“事件視界保護我們免受奇點附近的未知物理學的影響。”

事件視界有多大?

事件視界的大小取決於黑洞的質量。如果地球被壓縮成一個黑洞,它的直徑約為17.4毫米,跟一枚硬幣差不多;如果太陽被轉換成黑洞,那將產生一個大約5.84千米寬,相當於一個村鎮大小的黑洞。

黑洞的事件視界:光子、引力、意大利麵化,以及想象力的界限

事件視界望遠鏡觀測到的超大質量黑洞要大得多:位於銀河系中心的人馬座A *(Sagittarius A*)黑洞約為我們太陽質量的430萬倍,它的直徑約為1270萬千米,而位於處女座星系中心的M87星系黑洞約為太陽質量的60億倍,它的直徑約為177億千米。

黑洞的事件視界:光子、引力、意大利麵化,以及想象力的界限

黑洞的引力強度取決於距離它的遠近,離它越近,引力越強。但是這種引力對物體的影響會因黑洞的質量而有所不同。

例如,如果你落入一個跟太陽質量差不多的小型黑洞,那麼你就會被拉伸,並進入一個被稱為spaghettification(意大利麵化:指在強引力場中物體因潮汐力作用產生的拉伸形變)的過程中,不幸的是,在你到達事件視界之前就已經“陣亡”了。

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然而,如果你向著一個數十億倍太陽質量的超大質量黑洞墜落,你就不會感受到這樣的力量,在你越過事件視界之前,你不會死於“意大利麵化”,不過在你到達那個點之前,這樣一個超級黑洞周圍的許多其他危險會提前解決你。

旋轉的黑洞

與之前的看法不同,科學家們現在認為黑洞可能會旋轉,因為它們通常由恒星轉變而來,而恒星是會旋轉的。最近的研究結果表明,黑洞的旋轉速度可以達到光速的90%。

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以前,最基本的黑洞模型假設它們不旋轉,因此它們的奇點被認為是點。但現在傾向於認為黑洞會旋轉,所以新的模型表明它們的奇點是無限細的環。這導致旋轉黑洞(也稱為克爾黑洞)的事件視界呈橢圓形,在黑洞的兩極處被擠壓並在其赤道處凸出。

黑洞的事件視界:光子、引力、意大利麵化,以及想象力的界限

旋轉黑洞的事件視界分為外部視界和內部視界。這樣一個物體的外部視界就像一個非旋轉黑洞的事件視界。旋轉黑洞的內部視界(也稱為柯西視界)更為奇怪,在這個領域中,事情的因果關係失效了,過去不再必然決定未來,也就是說時間旅行在理論上是可能的。

事件視界之外

一個旋轉的黑洞也迫使它周圍的時空結構隨之旋轉,這種現象稱為參考系拖曳或冷澤-提爾苓效應(Lense-Thirring Precession),包括地球在內的大質量天體周圍都會出現參考系拖曳。

黑洞的事件視界:光子、引力、意大利麵化,以及想象力的界限

黑洞的參考系拖曳創造了一個稱為能層(ergosphere,黑洞周圍假設的封閉區)的宇宙漩渦,它發生在旋轉黑洞的外部視界之外。在能層內的任何物體都被迫沿著黑洞旋轉的相同方向移動,並且可以從黑洞中獲取一些能量,從而獲得足夠的速度來逃離黑洞的引力。通過這種方式,黑洞可以對周圍環境施加強大的影響。

黑洞的影響力

旋轉的黑洞還可以使自己更有效地將任何落入其中的物質轉化為能量。根據愛因斯坦著名的等式E=mc^2,非旋轉黑洞能將捕捉物體的約5.7%的質量轉換為能量;相比之下,旋轉黑洞的效率更高一些,它們可以將物體質量的42%轉化為能量。

黑洞的事件視界:光子、引力、意大利麵化,以及想象力的界限

“這對黑洞周圍的環境具有重要意義,”勒布說:“幾乎所有大型星系中心都有超大質量黑洞,它們的能量可以顯著影響這些星系的演化。”

最近一段時間,關於黑洞的研究出現了很多突破,不光是第一張黑洞照片這麼簡單。2012年,物理學家們提出,任何落入黑洞的東西都可能在事件視界附近遇到“防火牆”,這些防火牆會焚燒掉任何物質。這是因為正負粒子處於量子關聯中,如果一個粒子被吸入黑洞,另一個粒子不在黑洞中,那麼黑洞會切斷它們的量子聯繫,這將釋放出令人難以置信的能量。

黑洞的事件視界:光子、引力、意大利麵化,以及想象力的界限

然而,在其他力圖統一廣義相對論的研究中,科學家更願意用量子力學來描述所有已知粒子的行為,他們不相信黑洞防火牆的存在,而且他們認為事件視界本身不可信。

一些物理學家認為,我們目前所認為的黑洞可能實際上是一系列缺乏事件視界的黑洞狀物體,而不是禁止任何東西離開的終極深淵,這就是所謂的“模糊球”理論。

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第一張黑洞照片

綜上所述,我們可以知道,雖然人類關於黑洞的見解很多,但真正可信的知識卻很少,就如同無知的嬰兒面對著一架隱形戰鬥機,茫然無措而又千頭萬緒,事件視界望遠鏡項目給我們開了一個好頭,用給黑洞拍照的方式,讓人類邁出了長大成人的第一步,在不遠的將來,人類會拿著“工程師”證書,重新檢查面前的“隱形戰鬥機”,到那時,黑洞的秘密將逐一被破解。

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