張帆

 北京師范大學(xué)天文系副教授

要想明白為什么黑洞看起來像甜甜圈，就要先知道廣義相對論。

廣義相對論的誕生最早可追溯到比薩斜塔的實驗，伽利略將一個重球和一個輕球同時從斜塔上扔下來，它們最后居然同時落地。

比薩斜塔實驗

結(jié)果出乎人們的意料。愛因斯坦后面細(xì)想這個實驗結(jié)果，意識到引力和其他的力完全不一樣。

比如電磁力，如果讓兩個同樣的物體帶上不同的電荷，然后把它們放到電場里面，一個會加速快，一個會加速慢，然后它們兩個就分開了。

通過這個辦法，我們能知道某處是否有電場。

但是在引力場的作用下，兩個物體永遠(yuǎn)同步下落，我們沒有辦法區(qū)分，到底是因為引力場的作用它們才下落，還是其實這兩個物體是在太空中飄著的，只不過是我們作為參照物的電梯加速往上走，才顯得它們加速向下運動。

在這種情況下，愛因斯坦就想了，如果在任何實驗下都不能區(qū)別這兩種情況，那么物理作為一個實驗科學(xué)應(yīng)當(dāng)認(rèn)定他們是一樣的。

換句話說，引力不是力，它并沒有加速物體，人們平時生活中所經(jīng)歷的引力效果，大多是因為人們選了比較奇怪的參照物。

話雖如此，也不是說引力在任何時候都是沒有效果的，引力當(dāng)然存在，只是它不是一個正常的力。在大尺度上，它的效果就體現(xiàn)出來了。

下落的兩電梯

好比這張圖顯示的思維實驗的情況，一開始這兩個電梯是平行下落的，但到后來它們會撞到一起。因為引力的作用會引導(dǎo)它們向地心的方向走。

如果引力不是力，那不受力的物體應(yīng)該沿直線運動，為什么沿直線運動的兩個在開始的時候平行的物體走著走著到后面就不平行了？

很明顯，這種情況無法在平面上發(fā)生，但在曲面上，就有可能發(fā)生。

這個時候愛因斯坦就想，引力不是力，引力其實代表著時空的彎曲。

物體走直線，這件事在一任意的形狀上面，意味著它會走這個形狀上最短的線，而形狀本身很奇怪的話，這些線也會表現(xiàn)出來很奇怪的特點。

我們現(xiàn)在就可以理解為什么在一個電梯里面，我們沒有辦法測出引力存在不存。但是在一個大的尺度上，在引力場有變化的時候，引力的效果就體現(xiàn)出來了。

想象你是一只螞蟻，位于圖中黑色的小圈里，你其實無法區(qū)分你究竟是在上方的平面上，還是在下方的曲面上，這有點類似我們身處地球，卻不知道地球是圓的。

你只有把自己拉出來，放到一個很大的尺度上，看到了引力場的變化，也才會知道原來你是在一個彎曲的面上的。

這種引力的變化也叫潮汐力，可以說，引力的效果主要是通過潮汐力來體現(xiàn)的。

引力既然是時空彎曲的表現(xiàn)，那么產(chǎn)生引力的物質(zhì)就必然要彎曲時空，物質(zhì)怎么彎曲時空呢？

如果引力不是力，為什么我現(xiàn)在跳一下，沒有受到力的我不會飛到太空里面去呢？

一條魚拼命想游出瀑布

其實，你可以這樣想象，空間就像一條瀑布，水不斷地往下流，越往下流速越快，所以即便我往上跳，但還是被瀑布給沖下來了。

換而言之，在宇宙里，如果一個很小的范圍里有著一個質(zhì)量很大的物體，這個物體周圍瀑布的流速會很猛，那么以最快速度游動的魚也沒有辦法游出去。

愛因斯坦曾說，宇宙里速度最快的是光速，如果一條光速游動的魚都逃不出去，那么這個瀑布就叫作黑洞，黑洞的邊際叫作事件視界。

在瀑布邊緣試探的船

在事件視界之外，光雖然不會被吸進(jìn)去，但也會受到影響。就像圖片中的這條船，即便人們再努力地沿直線劃，因為橫向水流很快，也還是會受到影響而被拖著拐彎。

黑洞周圍彎曲的光

黑洞周圍的光不只會彎曲，還會繞著黑洞轉(zhuǎn)圈圈。

繞黑洞轉(zhuǎn)的氣體

這時如果在黑洞周圍放一團(tuán)炙熱的氣體，讓它繞著黑洞轉(zhuǎn)，那么你就會看到它有好多個影子。

我們可以把黑洞想象成一個哈哈鏡，從不同角度去看它，它就會把這團(tuán)氣體映射出很奇怪的影像。

像甜甜圈的黑洞

所以這張像甜甜圈的照片，黑洞其實在中間位置黑色的里面，圍繞它的那一圈是黑洞外面的物質(zhì)所發(fā)射出來的信號，被像哈哈鏡一樣的黑洞折射出來的射電信號。

當(dāng)然這景象實際上人的肉眼是看不到的，因為人是看不到微波的。這張圖實際上是根據(jù)信號強(qiáng)度做出來的。

如果人類真的可以跑到黑洞附近去觀看，會看到黑洞周圍是彩色的，這是因為繞著黑洞轉(zhuǎn)的這些氣體，在不同的地方溫度不一樣，發(fā)射出來的顏色也就不一樣，所以才會呈現(xiàn)彩色效果。

黑洞周圍氣體因不同溫度發(fā)射出不同光彩

所以黑洞甜甜圈的照片其實是根據(jù)大量數(shù)據(jù)處理出來的，但實際想拍攝到這樣的照片也還是非常非常難的。

照片中的黑洞本體在5500萬光年以外，而且黑洞本身很小，在天空上基本是一個小點兒，人們想在小點兒上分辨出明暗，這是非常難的。

所以要得到這么精細(xì)的照片，就必須要有特別高的角度分辨率。那么怎樣才能獲得這么高的角度分辨率呢？

通過干涉陣列的方法。黑洞的信號在某一時刻齊頭并進(jìn)向外傳播，而它們到達(dá)地球上各個射電望遠(yuǎn)鏡的時間是有差別的。

時間差明顯與虛線和實線之間的夾角相關(guān)，所以利用時間差，科學(xué)家們就能用干涉的方法將這些信號的來源方向提取出來。

時間差又和實線的長度成正比。換句話說，如果把兩個望遠(yuǎn)鏡之間的距離拉的特別長，你會得到一個比較大的時間延遲，在儀器精度不變的情況下，你就可以得到特別高的角度分辨率了。

這就是為什么這次參與拍攝黑洞的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，涵蓋了從格陵蘭島到南極，不同地方的望遠(yuǎn)鏡，之間的距離達(dá)到地球直徑。

我們可以用大型儀器觀看遙遠(yuǎn)星際里很大的黑洞，也有可能用一些高端儀器在地球上造出來很小的黑洞。

這位老先生叫Kip Thorne，是電影《星際穿越》的科學(xué)顧問。

他提出來一個猜想：如果給定一個物體，根據(jù)它的質(zhì)量做一個特別小的呼拉圈，然后讓呼拉圈各種轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)的過程中始終能把這個物體包含在內(nèi)，那么這個物體必定是一個黑洞。

大型的粒子對撞機(jī)也能夠把很高的能量，也就是很大的質(zhì)量集中在一個很小的范圍里，所以根據(jù)這個猜想也是有可能造出一個黑洞的。

如果我們真的用粒子對撞機(jī)造出了黑洞，它會吞噬地球嗎？

這是不可能發(fā)生的。首先，形成黑洞是很難的。要兩個粒子對得特別準(zhǔn)，正好迎頭撞上，如果不在微小的尺度上修改引力，引入一個高維空間，想要做到這點實際上很難。

而黑洞即便產(chǎn)生之后，也會面臨霍金蒸發(fā)，而且越小的黑洞蒸發(fā)越快，黑洞很快就沒了。

這個“蒸發(fā)”的說法是霍金提出來的，但即便霍金說錯了，黑洞不會蒸發(fā)，它能長期而穩(wěn)定地存在，那它也不會吞噬地球。

因為所謂黑洞引力強(qiáng)，只有在距離黑洞特別近的地方才能體會到，離黑洞比較遠(yuǎn)的時候，黑洞的引力實際上跟一個同等質(zhì)量的基本粒子沒什么區(qū)別，不會把遠(yuǎn)處的物體吸過去吞掉。

我們周圍的這些東西基本都是真空，因為原子核和原子的大小差著十萬倍。

就算科學(xué)家能造出黑洞，那也比原子核小得多得多，基本沒有什么能跑到距離黑洞特別近的地方給它“吃”，所以黑洞最多沉到地球中間，就靜靜地“坐著”。

雖然我們沒在地球上作死，但經(jīng)常在電影里面的大黑洞那里胡鬧。例如《星際穿越》中的男主角Cooper后來跳到了黑洞里。

影片中的他在經(jīng)過事件視界的時候，沒有任何感覺，然后就進(jìn)去了。

這是因為，除非有潮汐力的存在，否則根據(jù)等效原理，物體在自由落體時是沒有任何感覺的。

超大黑洞的潮汐力其實很弱，因為引力雖然很強(qiáng)，但是人的尺寸比黑洞的尺寸小得多，在人的尺寸上黑洞引力沒什么變化。所以Cooper在通過事件視界的時候并沒有什么不適。

所以黑洞的引力場雖然強(qiáng)，但因為沒有什么潮汐力，所以Cooper并沒有什么不適。

掉進(jìn)黑洞的Cooper

直到他掉到中間接近奇點的時候，如果頭朝下掉就會被撕碎，如果橫著掉就會被壓扁。

影片中的女主角布蘭德，也就是安妮·海瑟薇飾演的那個角色，她坐在宇宙飛船里其實是看不到Cooper掉到黑洞里面的，她會以為Cooper一直凝固在事件視界上，為什么會這樣呢？

手繪時空圖

大家請看這張手繪的時空圖，豎著的代表時間，橫著的代表空間，直線代表事件視界，曲里拐彎的線代表奇點，弧線代表Cooper的運動軌跡。

我們剛才說了，事件視界的定義是任何光都永遠(yuǎn)無法逃脫的地方，換句話說，光沿著事件視界在運動。

如果想讓布蘭德看到Cooper，那必須得有光從Cooper那里發(fā)出來，并達(dá)到布蘭德的眼睛。

但因為光無法從事件視界里逃脫出來，所以里面的光永遠(yuǎn)到不了布蘭德的眼睛，布蘭德也就永遠(yuǎn)不知道Cooper掉進(jìn)黑洞了。

布蘭德只會看到Cooper走得越來越慢，最后貼到事件視界上不動。如此看來，事件視界真是很奇妙。

但還有更奇妙的。這段動畫展示了兩個黑洞合并時的狀態(tài)，兩個黑洞的事件視界最終合并成了一個單一的事件視界。

請大家注意觀察，兩個事件視界在合并的時候，就像兩只小手在牽手一樣。它們怎么這么厲害？它們怎么知道對方要往哪個方向伸手？怎么知道未來會發(fā)生什么事？怎么確定它們就能完美地合并呢？

這其實涉及到了事件視界的另一個特性——預(yù)知未來。事件視界的定義是光“永遠(yuǎn)”無法從事件視界里逃脫，所以光在某一時刻其實并不知道自己是否位于事件視界里，只有一直等到宇宙滅亡，它才會知道自己最后到底有沒有跑掉。所以事件視界的定義就限定它不是由局部的物理就能決定的。

褲子圖

這張圖描繪了兩個小黑洞合并成一個大黑洞，這個圖也叫褲子圖。在黑洞合并的過程中，實際上黑洞的質(zhì)量會減小，因為有一部分能量被引力波帶走了。

但是Bekenstein和霍金告訴我們，黑洞的表面積實際上是增大的。

這好像有點違背常理，不過在經(jīng)典物理的情況下，情況確實是這樣，只是轉(zhuǎn)到量子力學(xué)領(lǐng)域，情況就會不一樣了。

量子力學(xué)對真空的定義是根據(jù)觀測者而定的。《星際穿越》中的Cooper看到的是真空，周圍什么都沒有。

但在宇宙飛船里的布蘭德看到的是黑洞周圍有很多粒子，這些粒子組成的體系有溫度，黑洞就會產(chǎn)生熱輻射，這就叫霍金輻射。

回到霍金輻射。之所以會有霍金輻射，其實是以粒子犧牲同伴到黑洞里為代價的。所以輻射跑出來的粒子其實已經(jīng)和掉進(jìn)去的粒子之間糾纏在一起了，那它想按量子信息學(xué)家要求的那樣和其它跑出來的粒子之間糾纏上的話，就需要先和里面的粒子斷交。

有量子力學(xué)專家認(rèn)為斷交的結(jié)果是在事件視界附近形成了一個充斥著極高能量粒子的區(qū)域——火墻。

這樣一來，Cooper就不是像經(jīng)典物理學(xué)家說的那樣，會毫無感覺地通過事件視界，完全不知道自己面臨死亡的威脅。

如果這樣的話，整個物理學(xué)都要被重新改寫了。很多人認(rèn)為既然要做那么多的改動，還不如承認(rèn)信息丟失算了，把量子力學(xué)的理論改一改，別總試圖改相對論。

尤其像羅杰·彭羅斯，他認(rèn)為黑洞信息丟失是他所提議的循環(huán)宇宙模型中很關(guān)鍵的一部分。

總而言之，黑洞除了在觀測上非常有意思，能帶給我們很奇妙的照片外，它其實非常適合做思維試驗，是可以憑空就能推動科學(xué)發(fā)展的東西。