黑洞里面有什么_黑洞里面有什么

里面是什么石头没有鱼/文

黑洞是一个充满神秘的天体尽管我们已经对黑洞的外部行为了如指掌，但对黑洞的“内部”却知之甚少。

例如，我们知道黑洞是一个具有强大引力的怪物。即使移动最快的物体——光——经过它，它也会像一个饥饿的人在吃面条一样被吸进去。但是在这么多东西被吸进去之后，他们的命运是什么呢？科学家们对这个问题没有统一的答案。有些人说他们最终被挤压成一个没有体积和无限密度的几何点(奇点)。有些人还说他们穿越时空，在另一个地方喷射出来。其他人说，在这些物质被挤压成一个点之前，发生了类似宇宙大爆炸的爆炸，形成了一个新的宇宙，我们可能生活在这样的宇宙中…等等

黑洞的“心脏”实在太不可预测了！随着天文学家努力“窥视”，我们现在对黑洞的内部有了一点了解。接下来，让我们看看黑洞的内部世界可能是什么样子。

在讨论黑洞内部的东西之前，让我们先看看黑洞可能有什么形状。

我们知道黑洞是黑洞的原因在于它表面附近的强大引力。当光线经过时，“肉包子打狗——没有回头路，也没有回头路”。我们无论如何也无法得到任何反馈信号，所以我们自然称之为“黑洞”。

，然而，当我们说黑洞有很强的引力时，我们只指它的表面附近。引力与距离的平方成反比。距离增加到10倍，重力将减少到100倍。我们知道银河系中有许多黑洞，但是它们对地球的影响很小，因为地球离它们太远了。

在离黑洞中心一定距离的地方，重力刚好足够吸收光线。我们称这一距离为“事件视界”，或“视界”在地平线之外，光仍然可以从黑洞的魔掌中逃脱，我们可以观察到逃脱的光。但是对于地平线上发生的事情，因为没有信号逃离这个界限，我们完全是盲目的，什么都不知道。即使一个科学家掉进了黑洞并幸存下来，写了一篇关于他所看到的东西的论文，他也无法让我们在黑洞之外的世界出版。

我们所说的黑洞内部和外部的划分是针对这个视界的。事件视界将黑洞分为内部和外部，黑洞的形状也是其事件视界的形状。

还需要解释黑洞的强大引力不在于质量，而在于体积。我们知道重力与距离的平方成反比。天体质量越集中，半径越小，表面重力越大。例如，如果地球要变成黑洞，它必须被压缩到小于4毫米的半径。事实上，只要压缩到足够小的体积，任何质量的物质都可以变成黑洞。

一个物质球，压缩了足够的时间，变成了一个球形黑洞，这不难理解但是，一团立方体物质，保持其形状不变，并压缩到足够小的尺寸，会变成一个立方体黑洞吗？

的科学家已经计算出这个黑洞不存在。当立方体被压缩到一定程度时，它会向外发出强大的引力波，修整它的棱角，使其越来越靠近球体(引力波携带的能量从这些棱角上的物质转化而来)；当它变成黑洞时，它已经是一个标准球体了

这告诉我们，一旦一团物质变成了黑洞，它就会抹去关于它的前身的所有信息。我们无法知道它是来自猫还是狗。此外，黑洞本身也是一个“信息粉碎机”。例如，我们把一只老母鸡扔进黑洞。一旦它进入黑洞的视界，我们就完全失明，再也无法追踪和观察它的最终命运。如果有人坚持说你扔的是一只鸭子，你不能反驳他，除非你碰巧手里有一根羽毛。任何信号都不能超出黑洞的视界，这意味着无论黑洞内部发生什么，都不可能以任何方式影响我们所处的宇宙，这也是广义相对论的要求。当你读到

时，你可能会想:在这种情况下，你怎么知道黑洞里有什么？谈论这个话题，难道我们不像谈论鬼魂一样毫不相干吗？事实上，天文观测在这里不再有用，但人类的聪明之处在于他掌握了物理定律，从理论上解决了实验无法回答的问题。对物理学家来说，研究黑洞最有力的工具是爱因斯坦的广义相对论广义相对论告诉我们，物质不能与时间和空间分开，重力的本质是时间和空间的弯曲，等等。这是我们需要知道的一点预备知识。

“黑洞里有什么？”第一个回答这个问题的人是美国物理学家奥本海默。1939年，他用广义相对论计算了一颗球状恒星在自身重力作用下的坍缩，发现当球状恒星变成一个足以捕获光线的天体时，它不会就此停止，而是会继续无情地坍缩，直到在中心形成一个没有体积和无限密度的奇点。如果一名宇航员的脚向奇点方向坠落，他的身体将逐渐变得像唐吉诃德一样又瘦又高，当他最终落入奇点时，他将被无限期地向头和脚的方向拉伸，同时被水平挤压(假设他有无限的弹性)最难理解的是，尽管宇航员的身高是无限的，但他却无法走出黑洞的视界——因为如果他变成一根肉棒，并倾斜出黑洞的视界，它将对我们的世界产生影响，比如把人吓得精神错乱等等，这是广义相对论所不允许的——而且我们知道，无论黑洞有多大，它的视界总是有限的，它怎么能容纳无限长的肉棒呢？

在理论上，物理学家们最头疼的是遇到无穷大，无穷大就像跳蚤一样，咬住他们的神经，一旦出现，他们就会把整个理论里里外外地检查一遍，看看有什么不对现在，在奥本海默的计算中，不仅有一个密度无限的奇点，而且这个奇点还有更奇怪的性质:任何落入其中的物体都将在纵向上被拉成无限长，并且这个无限长不能超过有限大小黑洞的视界！这个结论够荒谬吗？不用说，每个人都认为他的计算一定有问题。

有什么问题？苏联物理学家里瓦兹认为，问题可能在于奥本海默在他的计算中引入了太多理想化的假设:例如，要求恒星质量必须完全是球形的，密度必须绝对均匀，没有旋转，内部气体没有任何扰动……等等。这些条件在现实中都不能满足。Liftaziz通过复杂的计算证明了奥本海默黑洞的奇异性是不稳定的。只要上述条件之一不满足(例如，你对着这团气体吹一口气，使它产生一个小扰动)，奇点就不能形成。因此，奥本海默的黑洞奇点只存在于想象中，不能存在于真实的宇宙中。

事件在这一点上似乎是一种解脱，但它只是所谓的“如果你把魔鬼赶出家门，他就会从烟囱进来。”记得1964年深秋的一天，当英国数学家彭罗斯过马路的时候，他突然有了一个奇妙的想法，他立刻跳了起来在接下来的几周里，他把这个想法变成了一个严格的数学证明。这种“美妙的想法”对物理学家来说并不“美妙”。这就像一个判决，庄严地宣布了黑洞的最终命运:只要根据广义相对论，不管这个黑洞以什么形式改变，每个黑洞都必须有一个奇点。黑洞不可能避免奇点！

彭罗斯的证明使用了拓扑学，这是数学的一个分支，当时物理学家对此知之甚少。当听到彭罗斯的证据时，提夫阿齐兹感到震惊，并久久不能相信。但是在接下来的几年里，科学家们逐渐接受了彭罗斯的结论。Liftaziz检查了他以前的计算，还发现在奥本海默模型中引入小扰动后，奥本海默型奇点(因为有许多种奇点，除了“无体积和无限密度”的共同特征外，理论家会根据他们模型的需要给出其他附加特征)无法形成，但另一种奇点已经形成，所谓“前门驱狼，后门引虎”。所以他把毛巾扔给了彭罗斯

那么，我们现在对奇点了解多少？首先，奇点是空间中的这样一个点，这个点没有长度、面积、体积，总之没有大小；第二，尽管它的质量有限，但它的密度却是无限的，我们仍然不知道物质以什么形式存在。最后，我们还知道，所有在我们的世界里行之有效的物理定律一旦到达奇点，就会失效。

，一个奇怪的奇点，对自负的物理学家来说确实是一个巨大的打击。他们辛辛苦苦研究出来的物理定律实际上在这么小的一点就达到了顶点！幸运的是，奇点都包裹在黑洞的地平线上。即使那里发生了奇怪的事情，它也不会影响我们的世界。即使物理学家讨厌它，他们仍然可以“眼不见，心不烦”

写在这里，让我们首先总结一下传统的黑洞理论“黑洞里有什么？”这个问题一般是如何回答的

如果黑洞仍在增生，你不妨想象自己是一名宇航员，坠入黑洞，有一双能看到所有波长光波的眼睛(因为普通人的眼睛只能看到可见光波段的光波，即使黑洞充满高能射线，他们也看不见)当物质落入黑洞时，由于相互摩擦，会产生数百万度的高温，温度越高，辐射越强，所以你会看到周围有一片光——当然，黑洞视界所在的区域仍然是黑暗的，毕竟没有光出来。现在你已经越过了黑洞的地平线，就像但丁进入了地狱之门。大门上写着:“所有进入的人，把所有的希望都抛在身后！”因为你不能回去

如果你还活着，那么你会惊讶地发现，在进入地平线的“门”后，远处看起来黑暗而隆隆的地方也是一片光明。这是怎么回事？

的原因很简单，因为那些和你一起穿过地平线的物质在下降到奇点的过程中仍在摩擦和闪耀。虽然这些光无法从地平线上逃脱，但当你在地平线上时，你可以看到它们。光线正嗖嗖地射向奇点。至于奇点本身，你所能看到的是它非常明亮，因为来自四面八方的光正朝着那个点运行，所有的物质都被撕成碎片，变得透明，并且不会阻挡你的视线。

如果黑洞吸收了它周围的所有物质并平静下来了呢？当然，在黑洞的内部和外部，除了中心的奇点什么都没有。但是奇点没有体积，你看不到它。这时，如果你想找到一些物质的痕迹，那么除了虚荣，说实话实在是什么也说不出来此时，黑洞看起来像一个安静地坐着的老和尚。吃了喝了之后，他说:"本来什么也没有，它在哪里引起了灰尘呢？"它似乎从未“搅动尘埃”，但一股强大的引力将你拖入其中，让它自己显露出来。你突然意识到这个空旷的地方实际上是宇宙中最可怕的“怪物”居住的地方！

到目前为止，我们只在广义相对论的框架内讨论过黑洞然而，当物质在黑洞中坍缩，变得越来越小，以至于接近零体积的奇点时，我们实际上进入了微观场。此时，我们不知道广义相对论是否适用，但有一点是显而易见的，那就是，我们必须考虑支配微观世界的物理定律——量子力学。

相对论和量子力学是20世纪物理学的两大基石但不幸的是，它们在许多概念上是矛盾的。例如，在相对论中，时间和空间是不可分的，而在量子力学中，它们仍然是相互独立的。幸运的是，广义相对论的应用范围通常是空间的大尺度结构，而量子力学主要应用于微观世界，它们是和平的，没有违反法律。但是当谈到黑洞的奇异点时——那里的重力非常强，空间弯曲得非常厉害，规模非常小——人们不得不把两者结合起来考虑。但是到目前为止，我们还没有令人满意的理论可以将广义相对论和量子力学结合起来。

如果考虑到量子力学，我们对黑洞奇点的理解会增加什么新知识？

首先，一个直接的结果是奇点不可能无限小，也就是说，没有体积的理想化奇点是不存在的这是因为根据量子力学，空间不是无限可分的，它有一个最小的维度，普朗克长度，大约是10

-35

米黑洞奇点的直径不应小于这个值因此，尽管奇点的大小很小，但它并不完全为零。

其次，在如此微小的空间中，空间不再像广义相对论所描述的那样处处连续和平滑，而是不断地充满时空气泡，物理学家称之为“量子气泡”事实上，量子气泡不仅存在于黑洞奇点中，也存在于宇宙中的任何地方，例如此刻你的房间和大脑中。任何一片空间，只要你能不断地把它放大到一定程度，你总会发现原来平滑而连续的空间不见了，你看到的是沸腾的量子泡沫。同样的原因是，当你用肉眼看镜子时，它是光滑的，但在高倍显微镜下，它被发现布满了坑洼。这些量子泡沫何时、何地、以何种形式出现完全无法预测。我们只能估计它们发生的概率。

，当然，这只是我们引入量子力学后对奇点的初步理解。为了完全理解它的奇异性，还没有一个理论能在未来统一广义相对论和量子力学。

事实上，一旦考虑到量子，人们对黑洞的理解也有了飞跃。例如，我们过去认为黑洞是守财奴，物质不能进入或离开。然而，在将量子力学引入计算之后，英国物理学家霍金发现黑洞也能辐射粒子，也就是说，黑洞正在蒸发！

这样，人们心目中的黑洞也从最初的一毛不拔的“守财奴”形象，一变到还会把自己巨大的财富一点点地拱手让人的“守财奴”形象，这多少增添了一点“人情味”