永恒的黑暗

編譯 夏冰

在 《黑洞生存指南》 （BlackHoleSurvivalGude） 一書(shū)中，天體物理學(xué)家揚(yáng)娜·萊文 （Janna Levin） 把黑洞用作思想實(shí)驗(yàn)的 “幻想舞臺(tái)”，鼓勵(lì)讀者從內(nèi)心想象遭遇黑洞時(shí)的體驗(yàn)，讓大眾更好地理解有關(guān)黑洞的知識(shí)。

黑洞幾十年來(lái)一直未經(jīng)證實(shí)，20世紀(jì)的一些偉大天才認(rèn)為其荒謬、有害、無(wú)法接受，直到發(fā)現(xiàn)黑洞真實(shí)存在于星系的物理證據(jù)。

發(fā)現(xiàn)了一個(gè)黑洞距地球僅幾千光年遠(yuǎn)。向左走，向那顆黃色的恒星走去，向星團(tuán)走去。在星空背景下漫步，我們既在群星之下也在群星之上。天上星羅棋布，就像虛空中綴著點(diǎn)點(diǎn)星光；而藏在永恒黑暗中的黑洞散落在星星之間。我們?cè)阢y河系中心的黑洞的軌道上，被牽引著向仙女座星云中心的黑洞移動(dòng)……

我希望通過(guò)這本書(shū)讓你更了解黑洞，剔除華而不實(shí)的外殼，更接近黑洞的最黑暗本質(zhì)，驚嘆于黑洞的奇異和獨(dú)特。我們將會(huì)踏上一條少有人走過(guò)的路，通過(guò)一系列簡(jiǎn)單的觀測(cè)，最終發(fā)現(xiàn)：我們關(guān)注的黑洞根本不是什么物體，至少不是傳統(tǒng)意義上的物體……

失重和自由下落

很多人都對(duì)黑洞存在誤解，將它們描述成“有害”的龐然大物。這種評(píng)價(jià)并不公允。實(shí)際上，大部分黑洞都非常“有益”，而且本質(zhì)上非常小。在你開(kāi)始黑洞之旅前，應(yīng)該做好準(zhǔn)備工作，充分考慮可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)。公正地說(shuō)，如果你不謹(jǐn)慎行事，仍可能會(huì)陷入難以預(yù)料的危險(xiǎn)。即便是在地球上，也還有不少未被人類(lèi)征服的自然之地；要完成黑洞之旅，必須懷著一顆敬畏之心。畢竟，你將成為它們領(lǐng)地的入侵者。

黑洞是時(shí)空扭曲、怪異和極端變形以及極度不穩(wěn)定的意外產(chǎn)物。坦率地說(shuō)，科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)沒(méi)那么討厭它們。黑洞在物理上和理論上都是大自然饋贈(zèng)給人類(lèi)的禮物。在可觀測(cè)宇宙的最遠(yuǎn)處可探測(cè)到黑洞；它們錨定星系，為我們銀河系風(fēng)車(chē)和其他可能的星系提供了中心。理論上，黑洞為探索思維最遠(yuǎn)處提供了實(shí)驗(yàn)室。黑洞是進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)的理想夢(mèng)幻舞臺(tái)，目標(biāo)是探索宇宙的核心真理。

在尋找黑洞的時(shí)候，你并不是在找某種物理實(shí)體。黑洞可以偽裝成某種物體，但它本質(zhì)上是地點(diǎn)——時(shí)間和空間的地點(diǎn)。更好的描述是：黑洞就是時(shí)空。

想象一個(gè)空曠的宇宙。你從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)或經(jīng)歷過(guò)的原始地方，巨大虛無(wú)、處處相同——巨大和光禿；仍然是三維的，但處處平坦。

這就是說(shuō)，空曠的宇宙其實(shí)是平坦空間。當(dāng)你身處平坦空間時(shí)，就會(huì)沿著直線(xiàn)浮動(dòng)。雖然此時(shí)你并不是通常意義上的墜落，但我們還是把這種自由運(yùn)動(dòng)叫作自由下落。只要沒(méi)有啟動(dòng)火箭、沒(méi)有推力和拉力，從本質(zhì)上說(shuō)，對(duì)你產(chǎn)生作用的只有引力，你就會(huì)處于“下落”狀態(tài)。如果自由運(yùn)動(dòng)的軌跡只是直線(xiàn)，且平行的直線(xiàn)永遠(yuǎn)不會(huì)相交，那么這種空間的幾何結(jié)構(gòu)就是平坦的。

不過(guò)，你現(xiàn)在處于自由下落狀態(tài)的可能性非常低，你現(xiàn)在身處平坦空間的可能性也非常低，因?yàn)槲覀兊男窍抵胁淮嬖谶@樣的地方。坐在椅子上你就不可能自由下落，椅子會(huì)托住你防止你下落。站在地板上你就不可能自由下落，地板會(huì)托住你的腳，防止你墜落到地面。躺在床上我們會(huì)覺(jué)得自己很重，我們認(rèn)為地球引力在往下拉我們。其實(shí)我們搞錯(cuò)了，完全錯(cuò)了。我們感受到的并不是地球的引力，而是床墊的原子推著我們自身的原子。只要抽掉床墊或抽掉各個(gè)樓層的地板，你就會(huì)下落，而下落正是最純粹的連續(xù)引力體驗(yàn)。只有在對(duì)抗引力的過(guò)程中，你才會(huì)感受到引力的拉拽、慣性、阻礙和沉重。一旦向引力屈服，所有力的感覺(jué)都會(huì)消失。

體現(xiàn)自由下落概念的經(jīng)典場(chǎng)景是電梯。你搭乘高層公寓電梯的時(shí)候，會(huì)感到有個(gè)力托著你的腳。這個(gè)力作用于腳和電梯地板之間，正是它讓你停留在電梯內(nèi)。這是物質(zhì)之間的作用力。如果你對(duì)純引力（沒(méi)有物質(zhì)間相互作用的干擾）感興趣，就必須通過(guò)某種方式脫離電梯。你請(qǐng)人把電梯的纜繩鋸斷，你就會(huì)和電梯一起下落。在下降過(guò)程中，由于你和電梯地板以相同速度下落，你相當(dāng)于是“漂浮”在電梯中。你不會(huì)落到地板上，因?yàn)榈匕逡苍谙侣?。你可以借著推墻壁產(chǎn)生的力在空中翻滾。這個(gè)時(shí)候，你似乎感受不到自己的重量，就像空間站的宇航員一樣。你也可以像宇航員那樣把水壺中的水倒出來(lái)，然后喝到懸浮在空氣中的水滴。你也可以松開(kāi)握著的筆、手機(jī)、石頭，讓它們也漂浮起來(lái)。愛(ài)因斯坦稱(chēng)這一簡(jiǎn)潔又深刻的思想實(shí)驗(yàn)——我們?cè)谙侣鋾r(shí)體驗(yàn)失重的感覺(jué)——是他人生中最快樂(lè)的思想之旅。

等到你身上的原子與地球表面的原子發(fā)生相互作用時(shí)，這段自由下落的快樂(lè)之旅就以一種你絕對(duì)不開(kāi)心的方式告終了——你會(huì)重重地摔到地面上。不過(guò)，這并不是引力的錯(cuò)。你可能會(huì)摔得粉身碎骨，但罪魁禍?zhǔn)资瞧渌囊恍┝?，比如原子間的作用力，而非引力。（如果你是由暗物質(zhì)構(gòu)成，那就可以直接穿過(guò)地殼，一路下落。）

這個(gè)電梯思想實(shí)驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)，因?yàn)榈厍蛴凶约旱倪\(yùn)行方式。因此，不去想象自己漂浮在離地球、離銀河系很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的宇宙空間中；而去想象一個(gè)虛構(gòu)的空曠空間，里面除了你和你穿的宇航服，什么都沒(méi)有。這個(gè)時(shí)候，你發(fā)出照明彈照亮周?chē)目臻g，并且往三個(gè)方向上投擲物品，結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)它們都在自由下落?，F(xiàn)在，再想象每個(gè)投擲物都留下了一條顯示自己運(yùn)動(dòng)路徑的軌跡。很快，你就會(huì)看到它們畫(huà)出了一個(gè)直線(xiàn)。這個(gè)時(shí)候，你就會(huì)清楚看到空間是平坦的——自由下落的物體沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)——并且，這個(gè)空間中除了你、你的宇航服、你發(fā)射的照明彈以及繪制出直線(xiàn)的發(fā)光軌跡外，空無(wú)一物。在這個(gè)場(chǎng)景中，引力的作用如此微不足道，上述所有物體都根本無(wú)法對(duì)平坦空間產(chǎn)生明顯的影響。

不過(guò)，實(shí)際情況是宇宙并非空無(wú)一物。我們都很清楚自己受到地球的束縛，而地球受到太陽(yáng)的束縛，太陽(yáng)受到銀河系的束縛，銀河系受到附近仙女座星系的束縛。此外，這兩個(gè)星系都坐落于室女座超星系團(tuán)中，而室女座超星系團(tuán)則受到可觀測(cè)宇宙中所有其他星系和所有其他能量的影響。因此，我們絕不是生活在一個(gè)平坦的廣漠時(shí)空中。

宇航員也并非飄蕩在空無(wú)一物的空間中，他們可以看到地球在自轉(zhuǎn)，看到太陽(yáng)的劇烈活動(dòng)。雖然宇航員確實(shí)在下落并且經(jīng)歷失重狀態(tài)，但我們更習(xí)慣把他們的下落路徑稱(chēng)為軌道：宇航員沿以地球?yàn)楹诵牡能壍老侣?，地球沿以太?yáng)為核心的軌道運(yùn)動(dòng)，而太陽(yáng)則沿以銀河系中心為核心的超長(zhǎng)軌道運(yùn)動(dòng)。所有這些路徑都不是直線(xiàn)。宇航員的運(yùn)動(dòng)路徑是以地球?yàn)橹行牡膱A圈，地球的運(yùn)動(dòng)路徑則是以太陽(yáng)為中心的圓圈，太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)路徑則是圍繞著銀河系中心的圓圈。這是因?yàn)樾强詹⒎强諢o(wú)一物，而非空空間的自由下落路徑會(huì)發(fā)生彎曲——物質(zhì)和能量的存在會(huì)彎曲空間。

彎曲空間

我們生活在彎曲空間中，而非平坦空間。這不難證明，只需要在你躺在沙發(fā)上時(shí)，往遠(yuǎn)處扔個(gè)東西，然后觀察它的運(yùn)動(dòng)軌跡。你扔出去的這件東西絕對(duì)不會(huì)沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)路徑會(huì)在空間彎曲，畫(huà)出一道弧線(xiàn)。無(wú)論我們?nèi)邮裁矗鼈兌紩?huì)沿著向地球彎曲的路徑運(yùn)動(dòng)。你可以做一場(chǎng)環(huán)球旅行，躺在各個(gè)國(guó)家的沙發(fā)上，往遠(yuǎn)處扔?xùn)|西。它們都會(huì)畫(huà)出一道弧線(xiàn)，最后落在地面上。同時(shí)，我們可以記錄下每次扔?xùn)|西的結(jié)果，并且繪制出一張由各條彎曲路徑構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)，這樣其實(shí)也就構(gòu)建出一張能夠體現(xiàn)地表附近空間形狀的地圖。以這些結(jié)果為基礎(chǔ)，我們可以得到結(jié)論：地球改變了空間的形狀。此外，我們還可以通過(guò)物體的自由下落路徑繪制這種形狀。

自由下落取決于你在地球上拋出東西時(shí)的速度。直接把扳手摔下去，它會(huì)沿直線(xiàn)掉到地上。如果站在房間的一側(cè)往另一側(cè)扔扳手，那么它就會(huì)沿著弧線(xiàn)下落。只要扔出時(shí)的速度和方向不變，那么即便你扔的是一輛汽車(chē)，它也會(huì)沿相同的弧線(xiàn)下落。扔出扳手時(shí)的速度越快，它畫(huà)出的弧線(xiàn)就越長(zhǎng)，快到一定程度，這條弧線(xiàn)就不會(huì)落到地面上，而是形成以地球?yàn)橹行牡能壍馈Ｒ侨映霭馐謺r(shí)的速度更快一點(diǎn)，它就會(huì)永遠(yuǎn)離開(kāi)地球并一直向外飄去，直到被另一個(gè)天體（比如木星或太陽(yáng)）的彎曲空間俘獲，并且沿一條與地球上的情況完全不同的路徑跌落。

八大行星其實(shí)也是在繞著太陽(yáng)自由“下落”，沒(méi)有任何發(fā)動(dòng)機(jī)之類(lèi)的東西給它們提供外部作用力。它們的運(yùn)動(dòng)軌跡呈橢圓形，而且會(huì)通過(guò)自己的引力清除自身軌道附近的“障礙”。地球繞著太陽(yáng)自由“下落”，而月亮則繞著地球自由“下落”。

我們把很多人造物體都送到了地球軌道上，那些軌道其實(shí)就是人造物體繞著地球自由下落的運(yùn)動(dòng)路徑。宇宙飛船發(fā)射升空后，一旦抵達(dá)預(yù)定位置，就會(huì)關(guān)掉發(fā)動(dòng)機(jī)，在太陽(yáng)或者地球（這種情況更常見(jiàn)）等天體軌道上永遠(yuǎn)保持自由下落狀態(tài)。部分空間任務(wù)專(zhuān)家反對(duì)在航天器中加入自主推進(jìn)裝置，這樣在資金緊張的情況下，航天機(jī)構(gòu)就不會(huì)通過(guò)人工手段將航天器推出軌道，使其在目標(biāo)大氣層中墜毀。這樣，廢棄衛(wèi)星仍舊會(huì)在宇宙空間游蕩，成為太陽(yáng)系永遠(yuǎn)無(wú)法擺脫的幽靈垃圾。

國(guó)際空間站也繞著地球自由下落。宇航員就像我們之前想象的電梯乘客一樣漂浮在空間站中。這并不是因?yàn)樗麄儧](méi)有受到地球引力的影響，他們肯定會(huì)?？臻g站距地面不過(guò)幾百千米高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)到能夠擺脫地球引力影響的程度。這種效應(yīng)的體現(xiàn)就是地球周?chē)目臻g彎曲成曲線(xiàn)，而國(guó)際空間站正是沿其中一條運(yùn)動(dòng)——一條能夠讓其保持自由下落狀態(tài)的圓形軌道。國(guó)際空間站和宇航員一起每90分鐘繞地球一圈，速度接近28 000千米/時(shí)。他們一會(huì)兒走出日照區(qū)，步入地球陰影中；一會(huì)兒又回到日照區(qū)，接受陽(yáng)光的照耀，如此反復(fù)。他們的運(yùn)動(dòng)速度快到足夠在自由下落時(shí)與地球大氣保持距離，因而永遠(yuǎn)不會(huì)墜落到地面上。

通過(guò)愛(ài)因斯坦一生中最快樂(lè)的思想實(shí)驗(yàn)（空間失重、自由下落），我們借助一些最為常見(jiàn)的事實(shí)（躺在沙發(fā)上扔?xùn)|西的各種結(jié)果）就能推斷出宇宙空間中的自由下落路徑是曲線(xiàn)。而引力其實(shí)就是彎曲的時(shí)空，這正是愛(ài)因斯坦最偉大的洞見(jiàn)。

愛(ài)因斯坦毫不掩飾他對(duì)簡(jiǎn)潔性的熱愛(ài)，表現(xiàn)為其天真、樸素、奇妙的思想實(shí)驗(yàn)。他知道自己并不理解學(xué)校對(duì)引力的標(biāo)準(zhǔn)解釋?zhuān)厍蚋緵](méi)有接觸月亮，怎么能拉拽后者呢？其實(shí)，不光愛(ài)因斯坦無(wú)法理解引力，其他人也同樣無(wú)法理解，但那個(gè)時(shí)代的其他科學(xué)家根本沒(méi)有認(rèn)真思考自由下落的問(wèn)題，也沒(méi)有詳細(xì)研究這個(gè)現(xiàn)象的本質(zhì)。然而，正因?yàn)椴焕斫庖Σ⑶姨拐\(chéng)承認(rèn)這個(gè)事實(shí)，愛(ài)因斯坦才對(duì)實(shí)在的最為接受和最基本的方面提出挑戰(zhàn)。

在愛(ài)因斯坦之前，大家都習(xí)慣認(rèn)為，引力是一個(gè)物體作用在另一個(gè)物體上的力。但是，這種力的神秘之處在于：它不需要物體實(shí)際接觸。在愛(ài)因斯坦之后，大家的觀點(diǎn)發(fā)生了變化。引力被看作彎曲的時(shí)空。地球根本沒(méi)有接觸月亮，怎么能拉拽后者呢？答案是，地球根本沒(méi)有拉拽月亮，地球沒(méi)有向月亮施加任何力。相反，地球只是彎曲了空間，而月亮正是在這種彎曲空間中自由移動(dòng)。

黑洞就是一種空間

在離黑洞很遠(yuǎn)的地方，空間的曲線(xiàn)和圍繞太陽(yáng)、地球、月亮的曲線(xiàn)相同。如果明天我們的太陽(yáng)突然變成了黑洞，地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道不會(huì)發(fā)生任何改變。我們圍繞“黑洞太陽(yáng)”自由下落的彎曲路徑和繞真實(shí)太陽(yáng)的路徑幾乎一模一樣。當(dāng)然，如果真的出現(xiàn)這種情況，等待我們的將是永恒的黃昏、末日的黑暗和寒冷，但我們的軌道不會(huì)有什么變化。

地球與太陽(yáng)之間的平均距離約為1.5億千米，而太陽(yáng)本身的直徑約為140萬(wàn)千米。相較之下，和太陽(yáng)質(zhì)量相當(dāng)?shù)暮诙粗睆街挥?千米。雖然在大家的印象中，黑洞是吞噬一切的大惡魔；但其實(shí)，黑洞的“作惡”范圍要比太陽(yáng)小得多。只有當(dāng)你到過(guò)距黑洞中心和太陽(yáng)中心幾百千米處時(shí)，才能真正注意到這兩者附近空間的巨大差異。然而，你不可能不被燒毀而到達(dá)距太陽(yáng)中心幾百千米處；你可以接近黑洞，保持安然無(wú)恙。

一旦進(jìn)入到太陽(yáng)等離子體里，太陽(yáng)的引力影響就減弱。在你接近太陽(yáng)中心的過(guò)程中，也把太陽(yáng)的部分質(zhì)量拋在了后面。因此，你離太陽(yáng)中心越近，拋在后面的太陽(yáng)質(zhì)量就越多，太陽(yáng)內(nèi)部空間的彎曲就越平緩。

另一方面，無(wú)論你怎么接近黑洞，都不會(huì)把任何質(zhì)量拋在后面。因此，空間的彎曲只會(huì)更加明顯。這正是黑洞的特別之處：你永遠(yuǎn)無(wú)法把黑洞的任何質(zhì)量拋在后面，黑洞的所有質(zhì)量就好像永遠(yuǎn)集中在你前面一樣。即便你無(wú)限接近黑洞中心，仍舊會(huì)感到它的所有質(zhì)量都在你身前。

只要和黑洞保持安全距離，你就不可能被它撕碎或吞噬。黑洞并不是人們印象中的災(zāi)難之源，至少在你莽撞闖入它的實(shí)力范圍之前不是。當(dāng)然，一旦你越過(guò)了不能返回的臨界點(diǎn)，情況將變得非常糟糕。因此，即便你大膽接近黑洞，只要還在安全距離之外，你都可以建好空間站，關(guān)掉發(fā)動(dòng)機(jī)，在只需幾小時(shí)走完一圈的穩(wěn)定軌道上自由下落，欣賞黑洞附近的美景，只要能保證補(bǔ)給。

資料來(lái)源AmericanScientist