推荐 | 黑洞与暗能量

星空天文 2018-02-10 22:16:14

关于宇宙我们有过太多的遐想,黑洞的“发明”无疑是少数勇敢的理论学家在现代史上最大胆的脑力探险之一。“黑洞”一词甚至被披上了一层神秘色彩:宇宙中或许存在一种不可见的天体,能够吸收周围的所有物质。一个与我们的世界完全隔绝的封闭世界,如无底深渊,如血盆大口,能够无情地吞噬一切…

黑洞的特性如此奇异,长时间以来都令人无法捉摸,事实上,黑洞撼动的是我们对于时空的基本观念。黑洞受到众人追捧,摇身变成了科幻小说、漫画和灾难片里的主角。比如我们熟悉的电影《星际穿越》:

2000年的电影《黑洞频率》等。

那么,拨开幻想的迷雾,黑洞的真身到底是什么样子的呢?是这样的?

亦或是这样的?

今天小鹿准备带着大家来一次宇宙的探秘,一起去追踪神秘黑洞的影子。


比黑更黑

印度天体物理学家贾因特·纳里卡曾讲过这样一个故事:在古时候的印度加尔各答,有一座名为威廉堡的要塞,里面有一个又小又阴暗的房间,叫作“加尔各答的黑洞”。这个房间长5 米、宽4 米,原本用于关押3 名犯人。1757 年,孟加拉地区发生了一次流血暴动。作为报复,该省的统治者残忍地把146 名俘虏关进了“加尔各答的黑洞”。当时正值盛夏,这些人被关押了整整10个小时,最终只有22 人活着出来。

这个故事如此耸人听闻,某些历史学家甚至怀疑其真实性。无论如何,它倒是展示了黑洞的特性——摧毁所有闯入的物质。这一特点已经被广为流传,然而这只是黑洞的许多属性之一。黑洞非常简单,但从时空扭曲的方式来看,又极其令人费解。让我们首先来剖析黑洞的传统形象——这是一座“宇宙监狱”。

我们需要先回到黑洞的基本定义:这是一个时空区域,其中的引力场非常强,使得任何物质和辐射都无法逃逸。强引力场意味着物质的高度密集。要“制造”一个黑洞,就必须把一定的质量放进一定的临界体积内。在球对称的情况下,临界体积的大小由史瓦西半径来决定。


我们暂且不管黑洞形成的机制,理论上,所有大小和质量的黑洞都可能存在:有如基本粒子般大小,而质量却像一座山那么大的微型黑洞;有质量为10 倍太阳质量,而半径为数千米的黑洞;还有质量为数十亿倍太阳质量,却跟太阳系一样大的巨型黑洞。因此,与人们的普遍印象不同,黑洞的平均密度并不一定很高,这个值与质量的平方成反比。一颗大质量恒星的引力坍缩在经过了中子星阶段以后,会形成10M☉(M☉=太阳质量)的黑洞,黑洞具有接近原子核的密度——X(X代表10的14次幂)克每立方厘米。尽管如此,一个数十亿倍太阳质量的黑洞的密度也就只有水密度的百分之一!黑洞并不一定是拥有极高密度的星体,只要它致密到足以囚禁住光即可。物体的密度(density)与致密程度(compactness)是不同的概念,密度是质量与体积之比,而致密程度则是临界半径与实际半径之比。


(黑洞的原始印象,艺术想象图,源自作者自创)

井口式“ 生死线 

地球弯曲的轮廓勾勒出地平线,就像是空间的边界。航海家们发现,无法看得比地平线更远。不过,地球的地平线是相对的,是一个以观测者为中心的圆,并随着观测者的移动而改变。

黑洞的视界却是绝对的。它是时空的边界,与观测者无关,并将所有事件分成两类。在视界以外,无论相隔多远都可以用光信号相互通讯,这就是我们所居住的普通宇宙;而在视界以内,光线无法自由地从一个事件传播到另一个事件,而是都朝向中心聚集,事件之间的通信受到严格的限制,这就是黑洞。因此,黑洞表面被称作“事件视界”,是纯粹的几何分界面,没有物质支撑,好比是一口井的井口。

黑洞的形成将时空分成由视界隔离的两个部分,物质和辐射能从视界以外进入其内,但反过来则不行——“黑洞”一名由此而来。

潮汐力

像所有引力源一样,黑洞也产生“潮汐力”。这里“潮汐力”,其实只是借用牛顿理论中的概念,来描述广义相对论的“时空弯曲”。

想象一个宇航员头朝着黑洞自由下落,他的脚受到的引力比头受到的引力小,身体也就被潮汐力拉长,而且,这个力随着宇航员向黑洞的趋近而增大。假定人体不能承受100 倍大气压以上的张力或压力(1 大气压是1 千克每平方厘米)。宇航员被吸向半径30 千米的10M☉质量黑洞时,远在到达视界之前,他就已在400 千米的高空被潮汐力撕裂而死。宇航员在视界上受到的潮汐力的拉伸作用,就如同他的头被吊在埃菲尔铁塔的一根横梁上,而全巴黎的人都吊在他的脚上!

然而,潮汐力的强度依赖于产生它的物质的密度。黑洞的质量越大,密度就越低,其外部时空的弯曲就越小。因此,在质量远比恒星要大得多的黑洞附近,人体反而能够承受得住潮汐力。我们那位“拼死一试”的宇航员能够安然无恙地到达1000 倍太阳质量的黑洞的视界,甚至能够探索1 亿倍太阳质量的巨型黑洞的内部,因为这种黑洞视界上的潮汐力比地球引力所产生的难以察觉的潮汐力还要弱。但是,宇航员一旦越过了视界,便将无可挽回地落向中心奇点……无论黑洞质量多大,他都会被无限大的潮汐力撕得粉碎!

冻结的时间

一艘飞船受命去探索一个黑洞的内部——当然最好是一个巨型黑洞,否则飞船会很快被潮汐力摧毁。就在飞船穿过视界,即将就此一去不复返的瞬间,指挥员向全人类致以庄严的敬礼。他的告别通过电视画面传给遥远地球上的观众。


影片A 是按宇航员固有时的相等间隔拍摄的系列图像,这是飞船上的同事们看到的情景。按照飞船上的钟,指挥员的敬礼在第1356.00秒开始,在第1357.20 秒结束。飞船在敬礼过程中穿越视界,没有任何特别现象发生。从飞船上的探险家看来,黑洞的边界没有任何神奇的“魔法”。

影片B 是遥远观众在控制台屏幕上接收到的图像序列,按表观时间的等间隔顺序排列。开始时,影片B 与影片A 是一样的,但随着飞船向视界趋近,影片B 越来越慢。远处的观众接连收到几乎同样的图像,宇航员似乎被永远冻结在穿越视界那一瞬间的动作上。由于频率偏移、强度减弱,事实上,表观图像很快会暗得几乎看不见。对外部观众而言,飞船在黑洞内航行的情形更是无从得知。飞船正好越过视界的瞬间的图像被抛到无穷远的未来,而所有后续的图像都不可能从黑洞中传出,而是重新落向奇点。

外部观测者无论多么靠近事件视界,他都会观察到时间冻结。这是黑洞的一个巨大特征,苏联天体物理学家甚至曾用“冻结星”这个词来称呼黑洞。它给人的印象是,某种从外部看来逐渐减缓、最终冻结在史瓦西半径上的坍塌。“冻结星”这个称呼最后还是被抛弃了,因为它毕竟只反映了黑洞物理的一个相当片面的外部面貌。

(宇航员的敬礼)

直线圆周运动与指向中心的离心力

黑洞附近的时空曲率会导致强烈的时空扭曲,有时甚至违反古典的直觉,让人难以置信(如下图)。为此,我们来看两个现象。在r = 3M 的距离处,即在临界半径的1.5 倍处,曲率将光线的轨迹扭曲、折返至自身,形成一个完美的圆。光线虽然走圆形轨道,但对于坐在这光线上的观察者来说,这轨迹却是笔直的——这看起来有悖常理。

第二个反直觉的现象其实是第一个现象的自然结论。然而,根据广义相对论,离心力的方向在某些情形下可以指向圆周运动的中心,而并非朝外!当物体在非常接近黑洞视界的地方绕行时便会如此。

为了解释得更清楚,我们在黑洞的圆周轨道上放置一系列管道,并邀请一位勇敢的物理学家,准备在管道里检查时空性质。在离黑洞较远的轨道管道里,物理学家确实感受到朝向运动轨迹外侧的离心力。但在轨道半径3M 的管道当中,他不再感受到离心力,因为离心力被黑洞的引力抵消。而在更加接近黑洞、收紧在视界附近的管道当中,离心效应被反转,物理学家再一次感受到离心力,但它却指向黑洞的方向。

颠倒的世界


进入此间者,万念皆抛弃—— 但丁


对其他致密星而言,如白矮星和中子星,它们有一个坚固的表面,引力坍缩被物质的内部阻力制止。黑洞却与它们不同,一旦史瓦西半径被突破,视界形成,就没有任何力量能够阻挡坍缩。所以,黑洞里空空荡荡,只是在中心有一个奇点。


有时,人们把黑洞比作一个“颠倒的世界”,这种说法经常引起概念的混淆,但我们应当从其出发点来理解这一比喻:在黑洞视界的外部区域,例如我们所居住的时空区域,在三维空间中朝着任何方向运动都是可能的,无论前进或后退、向左或向右、朝上或朝下;但是,时间只朝一个方向流动,即从过去到将来。时间是一个“定向”坐标,沿着时间流动的关系就被称为“因果律”。

但在黑洞内部,时空颠倒过来:用于描述与黑洞中心距离的坐标变成了定向坐标,它在视界处等于2M,在奇点处等于零;而在外部空间描述时间的坐标却变得像空间一般。在黑洞内,空间变得不可逆转,所有物质都被迫只能缩短距离坐标,正如在黑洞外所有事件都必然朝着时间增长的方向进行一样。(如下图)

(黑洞的两种时间)


虽然本书的中心主题是讲万有引力使出各种手段让时间和空间屈服于自己的“蛮横”意志,讲物质的极端状态,可是它背后却蕴含着触及天文学和物理学各方面的丰富课题。而文章中提到的内容也只是书中的一个小小的部分。所以,如果想360度全方位了解黑洞与暗能量就请小伙伴翻开这本书,跟着作者继续向下推进,一起来感受宇宙的历史和演化吧!

作者:让-皮埃尔•卢米涅
译者:卢炬甫,余超
定价:99.00元

  • 欧盟“欧洲科学传播奖”获奖佳作

  • 20年经典科普读物、黑洞爱好者必读经典《黑洞》新版再现

  • 恒星演变和宇宙兴衰的史诗,残暴而疯狂的黑洞故事

  • 文学与绘画,音乐与诗歌,丰富插图与奇闻异事,奏响宇宙命运的交响

本书围绕黑洞与暗能量两大主题,详细阐述了恒星、黑洞等宇宙天体诞生、演变与陨灭的精彩历程,揭示了黑洞与暗能量的真实面貌,在围绕人类揭秘宇宙的恢弘人文与历史背景中,讲述探索宇宙的物理与天文知识。


作者简介


让-皮埃尔•卢米涅(Jean-Pierre Luminet),世界知名天体物理学家和黑洞问题专家,“乔治‧勒梅特天文学奖”获得者,现任法国国家科学研究院下属巴黎默顿天文台宇宙理论研究部主任,从事相对论天体物理和宇宙学研究。作者同时还是一位作家和诗人,曾荣获法国艺术及文学勋章军官勋位,著有《无穷》等多部畅销科普作品。本作品荣获欧盟颁发的“欧洲科学传播奖”。



第一篇 引力与光  1

第1章 首批硕果  2

第2章 相对论  20

第3章 弯曲时空  44

第二篇 火中凤凰  71

第4章 烽火岁月志  75

第5章 灰烬与钻石  91

第6章 超新星  104

第7章 脉冲星  127

第8章 奇异星  153

第9章 引力胜利了  163

第三篇 光的消逝  179

第10章 虚幻的地平线  180

第11章 落入漩涡  201

第12章 照明  212

第13章 地图技巧  225

第14章 黑洞机器  252

第15章 量子黑洞  261

第16章 泡沫、圈、弦与洞  279

第四篇 光的复归  297

第17章 微型黑洞  299

第18章 孤立黑洞  306

第19章 X 星动物园  311

第20章 中型黑洞  338

第21章 巨型黑洞  343

第22章 引力光  374

第23章 宇宙的命运  386


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