科学传播
科普动态
中国国家天文
科普场馆
科普站点
科学图片
天文学词典
科普讲座
科普文章
品牌活动
现在位置:首页 > 科学传播 > 科普文章
黑洞内外,时空弯曲的漩涡——苟利军研究员演讲实录
2015-03-17| 【 【打印】【关闭】

  2014年年底,有一部叫作《星际穿越》的电影火遍全球,它是英国著名导演诺兰历时多年拍摄成功的。这部电影上映后,在全球掀起了一股时空穿越的热潮。电影讲述了一位宇航员在面临地球灾难、人类灭绝的时候,去深空(在地球大气极限以外很远的空间,包括太阳系以外的空间)探索,找到帮助人类建立第二家园的方法,最后成功将人类送到太空,使人类得以解救的故事。

  与好莱坞典型大片相比,这个故事本身是平淡无奇的,但是在主角们的探险过程中,他们却经历了在平凡人看来很难以置信的事情。其中很多是天体物理方面的知识,比如虫洞、黑洞,还有引力波等等。这些东西在一般人看来非常难以理解,所以作为这部电影的科学顾问,基普·索恩(Kip Thorne)教授还写了一本名为《星际穿越》(The Science of Interstellar)的书,专门讲解这些天体物理知识。基普·索恩是加州理工大学的顶尖教授,也是国际顶尖的天体物理学家。在电影的制作过程中,他提供了很多天体物理原型,并在特效公司的帮助之下,将这部影片打造成了2014年度最炫的电影,摘得奥斯卡最佳特效奖。

  如果你看过电影,那么应该记得当中最令人震撼的一幕就是黑洞以及黑洞周围的吸积盘。今天,我就利用这短短的十多分钟,带领大家进行一场黑洞的时光之旅。

    黑洞,光都无法逃逸的牢笼

  什么是黑洞?在讲黑洞之前,我要从中国的神兽貔貅讲起。貔貅有什么特点呢?就是只进不出。在宇宙当中,有一个与貔貅非常类似的天体,它的名字就叫“黑洞”。它可以将在周围的任何物质都吸进去,甚至连光都无法逃脱。当我们能看到一个物体的时候,必须要通过一定的媒介,通常,这个媒介就是光。所以,当光都不能传播出来的时候,我们就不能看到它。同理,当我们去看黑洞这个物体的时候,因为光都不能传播出来,所以我们看到的就只能是一个黑色的区域。而且,我们从各个方向去看黑洞的时候,都不能看到它,所以它应该是一个球体。就像下面这幅漫画里所说的,它是黑色的,它是一个洞,所以我们称之为“黑洞”。

 

  那么,黑洞的物理结构是什么样的?它其实相当简单,由两部分构成,一部分叫作“视界面”。在视界面之内,任何物体包括光都不能逃逸出来,但是要记住,这个视界面仅仅是一个虚拟的界面,并不是实实在在的球体。另外一部分就是视界面球体中心上一个叫作“奇点”的东西。

  奇点是什么呢?人类对于奇点的认识是不断变化的。在最开始爱因斯坦相对论出现以后,我们认为奇点就是一个质量无穷大,但是又没有体积或者体积特别小的天体。但是,随着量子引力的出现,我们现在意识到它的中间有可能是有一定体积的,但是还是特别小。那么,奇点是什么形状的呢?是一个点,还是其他形状?在这里,我要指出一个所谓量子泡沫的东西,它就如我们现实生活中看到的肥皂泡一样。奇点上有好多类似的泡沫,但是这些量子泡沫是由许许多多的弯曲空间所构成的,而这也正是我们可以用来进行时空穿梭的媒介。

  黑洞的结构非常简单,当然也正是因为其简单的结构,我们可以用很简单的3个量去描述它,这3个量分别是质量、转动和电荷。我们知道这3个量以后,就可以完整地描述一个天体。因为只有3个量,所以我们通常称之为“三毛定理”,有的时候为了简单,我们就称之为“无毛定理”。与它相比,周围任何一个物体或者一个人可能都更为复杂,因为需要千千万万个参数或者量去描述,或者千千万万都不够。

    空间弯曲,“岁月了无痕”的良药

  黑洞是一个强引力的集合体,所以,对于黑洞的认识正体现了对引力的认识。从17世纪牛顿发现质量有可能是引力产生的源泉以来,我们对于黑洞的认识也发生了巨大的变化。首先,如果质量影响引力,那么我们就可以这样想象:当质量大到一定程度的时候,光可能就跑不出去了。如果把我们的地球压缩到这样的尺度,那是多大呢?简单计算后我们发现其半径为0.9厘米。现在地球的半径是6400公里,从6400公里到差不多1厘米,要经过了好几亿的尺度变化,所以可以想象它的密度发生了更为巨大的变化。

  这是牛顿时代对引力的认识。到了爱因斯坦时代,这一认识又有了很大的不同。爱因斯坦在1915年(大约在100年前)发表了一篇论文,提出了广义相对论,对引力有了完全不一样的认识。他认为,引力是因为质量对时空造成了弯曲,而弯曲的时空造成了引力场。在下面这幅图当中,我们可以看到,在一张平直的薄膜上面,不同质量的物体对于一个平面所造成的变形是不一样的——重的物体的变形更大一点,而轻一点的变形则小一点。

 

  我们也可以想象,空间是一张薄膜,如果没有任何物体存在的时候,它就是一张平直的、没有变形的薄膜。但是,当我们把一个天体,比如太阳、中子星,黑洞甚至更为致密的黑洞放到上面去的时候,它对空间所造成的变形就完全不一样了。以下这张图上就展示了各种天体对于空间所造成的变形。

  而且,在对于引力的不一样的认识中,我们才发现了时间的一些有趣现象。在爱因斯坦的广义相对论中有一个很奇妙的结论:空间弯曲越大,时间流淌越慢。很多人都在追求所谓的长生不老或者永葆青春,所以如果我们能够活在靠近空间弯曲更为强烈的地方,那么自然会消耗更短的时间。当我们观看电影《星际穿越》的时候,我们看到当主人公库珀回来的时候,时间几乎没有在他身上发生任何变化,而他的女儿却已经变成了一个老太太。按照物理法则来计算,他们在米勒星球的1小时相当于地球上的7年,这个时间一下子被拉伸了6万倍。这是什么概念?合理的解释就是,米勒星球其实更靠近空间弯曲更大的黑洞附近。

  我们在神话故事当中经常听到有人说:“天上一天,地上一年。”通过借鉴以上理论,我们就很容易解释神仙所住的地方,其实就是更靠近引力场或者空间弯曲比我们地球上空间弯曲更大的地方。

    恒星级黑洞与超大质量黑洞的诞生之谜

  在我们的宇宙当中到底有没有发现黑洞呢?现在大量的观测已经表明,我们这个宇宙当中有很多黑洞。总体而言,这些黑洞可以分为两大类:一类叫作“恒星级黑洞”,另外一类叫作“超大质量黑洞”。前者的质量大约是10个太阳质量,而后者的质量是在几百万甚至几亿个太阳质量。虽然它们的质量有着这么大的差别,但是最终它们表现出来的却有着极大的相似性。

  首先,它们有一个围绕自身转动的气体盘。其次,它们有一种从黑洞中心喷射出来的气体物质,在天文学当中叫作“喷流”。正是因为有气体盘,黑洞会产生辐射,而这些喷流也会产生辐射,所以我们才能够看到黑洞。否则,我们是没有办法探测到黑洞的。

  这些黑洞是怎么产生的呢?一般来说,质量大约为几十个太阳质量的恒星在死亡后会塌缩成黑洞。这是因为恒星内部有热核反应,它本身能够支撑自身的重量,但是当热核用完的时候,就不能支撑重量了,就会形成黑洞。最后,它会产生一个特别强烈的爆发,并在一秒钟内释放出比太阳在一生当中所释放出来的能量还要强100倍的能量。

    虫洞,高维空间之旅的连接通道

  在日常生活当中,我们也会听到某个人在谈论黑洞,他们在谈论的时候,往往会提及时空穿梭。那么,黑洞是怎么让我们实现时空穿梭的呢?

  我们的宇宙处于一个更高维度的宇宙当中,并不是单独存在的。如果有一天有一个人告诉你,其实在高维空间中有一个通道连接着地球与织女星,那么这个通道肯定就是虫洞。

  虫洞有没有可能自然产生?完全可能。因为在黑洞中心有一些奇点,奇点上有量子泡沫,而这种量子泡沫就可以产生虫洞。但是问题是,它们存在的时间和长度都特别小,分别大约在1.0E-43秒和1.0E-35米这种量级上,或者更小。所以,我们必须要达到这种量级,才能够让人类穿梭。也就是说,虫洞的尺寸必须达到至少人类的大小,比如米或者千米的量级;时标的话,必须达到秒、分或者小时的量级,人类才能在虫洞中穿梭。

  我们怎么解决这种问题呢?有没有可能解决呢?或许,我们可以从宇宙的演化当中得到一些启示。现在有很多观测发现,我们的宇宙起源于一个大爆炸,经过爆涨,涨到了我们现在观测到的丰富多彩的宇宙。

  而且,最近的观测表明,我们的宇宙当中含有一种叫作“暗能量”的成分,它与我们通常所见到的物质的性质是完全不一样的。我们知道,根据牛顿对于引力的认识,有质量存在就有引力,但是暗能量完全相反,它的性质能够提供一种斥力,而这种斥力正是虫洞所需要的。

    黑洞探索,实现“时空穿梭”的秘钥

  经常会有人问我,你研究黑洞有什么意义,今天,在“未来创客”的这个舞台上,我要谈一些关于研究黑洞的重要意义。首先,很直白地讲,研究黑洞没有很直接的社会影响,但是我想作为一个基础学科的研究,它是一种人类自由探索意志的体现。我们可以想象,这个信息社会的产生,是源于一个小小的3W协议。但不为人所注意的是,3W正是粒子物理为了交换大数据所催生的。一个小小的3W协议竟然撬动了我们的整个社会,把我们带到了现在的信息社会。对于黑洞的研究,或许就在明天,便会把我们带向一个我们觉得时空穿梭非常容易,而且非常频繁的时代。

(文章来源:本文为苟利军在“未来创客· 2015春季思想峰会”上的演讲实录,由未来创客编辑整理)

评 论
相关新闻