我们生活在黑洞中?(1 / 1)

如果你不巧掉进黑洞,会被“挤成面条”。是的,这正是对即将发生的事做出的科学描述。黑洞毁灭性的引力会同时将你挤压和抻拉,把你塑成一串亚原子粒子,看起来就像长而细的面条。这些曾经是你的粒子,随后会坠入黑洞的中心,在那里你的粒子会继续被压缩,致密的程度高到连数学也无法量化。

这一切唯一的好处在于,如果你掉进黑洞时恰巧醒着,压面条的过程会快到让你毫无感受。总而言之,这也不算一个糟糕的死法。

既然黑洞的环境如此险恶,那么它们也就不大可能存在生命。说到底,有什么能在其中存活下来呢?不过,有一个流行的理论违背了这一逻辑。它声称,尽管看似不可能,但生命不仅可以存在于黑洞中,而且我们就是证据,因为我们生活的宇宙就是一个巨大的黑洞。

黑洞的定义是一种引力大到没有什么能逃离它的天体,就连光也做不到。关于这种天体可能存在的猜想,可以追溯到数个世纪之前,尽管那个时代的大多数时间里,科学家们并不愿意接受“如此古怪的现象有可能是真的这样的”想法。预言黑洞存在的第一人是英国的牧师约翰·米歇尔。1783年,他给英国皇家学院递交了一篇论文,在论文中他猜测:如果一颗恒星比我们的太阳大五百倍,其引力场的强度会大到使光无法逃离。尽管它如此大,该恒星仍会从视线中消失,成为一个黑洞(尽管米歇尔并没用这个词)。

科学界把这一假说斥为胡思乱想。似乎不大可能有任何恒星会如此巨大。而且无论如何,当时主流的信念是:光不受引力的影响。于是,关于黑洞的奇怪想法就这样被束之高阁了。

直到1915年,它才被重新捡起,恢复生机。阿尔伯特·爱因斯坦当时发表了他的广义相对论,从而说服了科学家相信引力并非一种力,而是代表着空间与时间的弯曲。这样的话,光就会受引力的影响,因为它会沿着时空的曲线运动。

广义相对论还意味着,具有足够大的质量和密度的天体,可能会强烈地扭曲时空,以至于形成一个“井”,任何东西都不能逃离它,就连光也不能从中逃脱。在这个“井”的中心将形成一个奇点—在这个点上,引力场的强度将无限放大。

尽管广义相对论本身隐含此点,大多数科学家,就连爱因斯坦本人,都仍然认为黑洞是一个疯狂的想法。问题在于,物理法则会在奇点失效,而物理学家会出于本能,避不接受这件事可能会发生。物质可能会被无限压缩的想法似乎也是错的,因为有限的事物怎么能拥有无限的值呢?科学家们认为,到了某个点上,构成物质的亚原子粒子会找到一种办法,抗拒进一步被压缩。

直到20世纪60年代,科学界才接受了黑洞的存在。事实上,黑洞这个词也是在这十年间才被创造出来的。1964年,科学记者安·尤因首次在文章中使用了该词。人们更好地理解了空间会怎样在黑洞周围弯曲的复杂数学问题,这使物理学家不再对整个黑洞的概念感觉到别扭了。另外,射电和X射线天文学的新技术展现出宇宙拥有一些非常奇怪、高能且极为致密的天体,如类星体和脉冲星。相比来看,黑洞似乎也没那么离奇了。

黑洞刚被接受为可能的现象没多久,人们就开始怀疑,我们会不会生活在一个黑洞中呢?

黑洞宇宙假说并不是某个理论家的发明,并没有哪个人物站出来,成为它的捍卫者。相反,20世纪60年代末70年代初,黑洞宇宙假说就像一个“梗”一样在科学界流传着,随后在大众中风靡起来。

物理学家罗杰·彭罗斯[20]可能是在出版物中提出这个猜测的第一人。他在一篇1967年提交给剑桥大学亚当斯奖的文章中提到这种可能性。五年后,物理学家拉杰·帕斯利亚和欧文·古德各自就此假说写了一篇短文,分别发表在《自然》和《今日物理学》期刊上,令其获得了更广泛的受众。到了20世纪80年代,该假说被看作一个即使非正统,但也十分流行的想法,关于它的讨论经常出现在书籍和文章中。

许多人各自独立地想到了这个假说,因为在天体物理学的框架里,它是一个在某种意义上很明显易得的想法。在自然界只有两个位置与奇点相关:黑洞中心和创造我们宇宙的大爆炸的起点。因此,想象两者会不会相关也确实自然合理。

一旦你开始把宇宙与黑洞做比较,那么其他相似之处自然就会浮现出来。有一个事实是,黑洞存在一个事件视界,这是一个无法回头的地方。就像一条围绕在黑洞周围看不见的线,无论什么东西越过这条线,都会彻底被黑洞的引力攫住,即使是光也无法逃脱,而且从一个外部观察者的视角来看,它会彻底从宇宙中消失,不复存在。事件视界的作用如同一道屏障。任何在其界限之内的事物都永远无法逃出来。

类似地,我们则被困在一个宇宙级的事件视界中,这一界限由我们能够向宇宙看多远来定义(大约是朝任意方向看去的四百六十亿光年)。正如物体会被彻底困在黑洞的事件视界中一样,我们被彻底困在其中,永远也无法跨越这一视界。

我们无法跨越这个宇宙级视界的原因在于:宇宙的持续膨胀造成该视界远离我们的速度要快于我们做星际旅行去追赶它的速度。事实上,它远离的速度比光速还快,而且尽管它不受光速的限制,但我们受这个限制。这意味着物理法则使我们永远无法跨越这一视界。

这一切可能听起来相互矛盾。为什么宇宙级视界能以高于光速的速度移动,而我们却不能?这是因为宇宙在膨胀,而且无处不在膨胀,这意味着膨胀是累积的。两个天体之间距离越远,就会有越多单位的空间同时在膨胀,没有极限。累计足够大的空间,膨胀速度就会超越光速—可从来没人说过天体物理学浅显易懂。

接下来,就是史瓦西半径的问题。1915年,爱因斯坦刚刚发表了他的广义相对论,德国物理学家卡尔·史瓦西[21]就用它的公式计算出围绕在任何均匀球形物质周围的引力场强度。这是令人震撼的成就,不仅因为爱因斯坦的广义相对论公式以难于求解著称,而且因为史瓦西当时身在德军军队中,是在俄国前线躲避子弹时完成的这件事。另外,他感染上了一种无法治愈的皮肤病,使他迅速地陷入了生命垂危的境地。他将他的计算结果寄给爱因斯坦之后就过世了。

史瓦西的分析得出了一个看似古怪的结论。暗示任何物体如果被压缩得够小,都会变成一个黑洞,因为随着密度越来越大,其表面受的引力会增强。一个物体引力的强度和你与它之间的距离呈负相关—具体来说,和你与其中心点之间的距离呈负相关。因此,如果你压缩整个物体,使它直径更小,由此缩短了其表面到中心的距离,则其引力会相应地增大。

让我们来看一个例子:如果疯狂的科学家们能够将整个地球压缩到比高尔夫球稍小的程度,那么地表所承受的引力将变得无法抗拒,地球会变成一个黑洞。与此类似,如果这些科学家能够把你压缩成一个微小的点,比一颗原子的原子核还要小一些,你也会变成一个黑洞。物体会转变成黑洞的那个临界半径,现在被称为它的“史瓦西半径”,任何物体的史瓦西半径都是可以算出来的。

起初,科学家们把史瓦西的发现当作怪论而未加理睬,因为他们不愿相信黑洞是真实存在的现象。但是,他们刚回过头来接受黑洞存在的事实,就有人想起询问可观测宇宙的史瓦西半径会是多少。这也就是说,你需要将可观测宇宙压缩到多小,它才会转变成一个黑洞呢?

可观测宇宙的质量可以借助观测加以估算,而且我们知道它的大小(我们可以朝任一方向看四百六十亿光年远,因此它的直径是九百二十亿光年)。当把这些数值代入公式,令人不安的结果出来了,可观测宇宙现在的半径就小于史瓦西半径。它的大小已经是可以转变成黑洞的大小了。

这一结论或许令人难以置信,因为一个物体当然必须要极为致密才能拥有黑洞的引力,但是,看看我们周围的宇宙,有的是空无一物的宇宙空间。但这一点恰恰凸显出了史瓦西的计算中另一个奇特之处。他的分析显示,一个物体的质量越大,它成为黑洞所需要的密度就越小。例如:如果那些疯狂的科学家能将整个银河系的半径压缩到小于史瓦西半径,其密度会比海洋中水的密度还要小。而整个可观测宇宙的质量,若是被压缩到了小于史瓦西半径的尺寸,密度不会有多大。事实上,它应有的密度恰是我们目前观测到的密度。

因此,辩论接下来就发展成:如果你将所有这些因素放在一起考虑—因大爆炸而与我们的宇宙相关联的奇点、宇宙级事件视界以及我们可观测宇宙的半径小于史瓦西半径的事实—你就会被引向看起来躲不开的结论:我们肯定生活在一个黑洞之中。

当然,大多数天体物理学家并不打算承认这一点。首先,他们提出,大爆炸的奇点与黑洞的奇点并不具有可比性,因为它所在的位置不对。如果你即将掉进黑洞,奇点会不可避免地位于你的前面,存在于你的未来,但是在我们的宇宙中,奇点处于我们的过去,处于大爆炸发生的时刻。这是一个巨大的差别。我们的宇宙看起来是从一个奇点中诞生出来的,但它并没有奔向某个奇点。

同时,黑洞的事件视界是太空中一个固定的界限,而宇宙级视界则与观测者所处的位置相关。一个二百亿光年之外的文明所看到的宇宙级视界会与我们的视界有显著的差别。

另外,至于可观测宇宙的半径小于史瓦西半径一事。这确实是真的,但这并不一定意味着我们就身处黑洞中。实际上它意味着宇宙膨胀的速度已经接近其逃逸速度[22],而我们应当对此心怀感激。如果宇宙膨胀得再慢一点,它可能已经向自身内部坍缩回来了,而如果它膨胀得再快一点,星系和太阳系这样的天体会无法形成。然而,它膨胀的速度恰到好处,使我们得以存在。

理论物理学家西恩·卡罗尔指出,如果有谁真的热衷于想象我们被困在某种巨大、宇宙级的洞里的话,对于这种想象,一个更好的表述方法或许是,我们生活在一个“白洞”(也就是黑洞的反义词)中。说得更具体点,这是一个时间倒转的黑洞,物质无止境地从中喷薄而出,而不是掉进其内部。但白洞也有一套问题随之而来。它们从理论上是可能存在的,因为不管事物在时间上是向过去还是向未来移动,物理法则都发挥着同样的作用。但是照这样说,一颗打碎的鸡蛋自然而然地重新变回成一颗完整的鸡蛋,理论上同样可能。物理法则是允许它发生的,但是目击这种事发生的概率几乎为零。

所以说,或许我们并没生活在黑洞中,而我们的宇宙并没有朝一个奇点向内坍缩的这个事实—其本身就证明了这一点。但是,在天体物理学中,事情从来就没有这么简单。黑洞宇宙假说的支持者们坚称有办法绕过所有相反的论证。

它仍然可以说得通的一种方法是,假设确实有一个奇点就处在我们无法逃避的未来。如果从现在起数十亿年之后,宇宙膨胀会暂停,然后反转过来开始一场大收缩,那么可能就满足了黑洞的定义。

理论物理学家尼克蒂姆·波普拉维斯基还提出另一种办法。他主张,在一个黑洞内部,物质有可能在向外膨胀,而不是向内收缩。当物质坍缩到一个无法再坍缩的点时,可能就会发生此事,物质随后会像被上满弦的发条一样,爆炸性地向外反弹。事件视界会继续将黑洞内的物质与更广阔的宇宙分隔开来,而这种膨胀随后将进入到全新的时空维度之中,与宇宙大爆炸时的时空突然扩张开来的情形全无二致。波普拉维斯基甚至提出:所有的黑洞都会形成新的宇宙,而这正是我们的宇宙诞生的方式,它就是从更大宇宙的某个黑洞中诞生出来的。

当然,这引出了母宇宙如何形成的问题,这似乎是一个谜。除非它也是从黑洞中诞生出来的。也许全宇宙都由一系列黑洞宇宙构成,就像俄罗斯套娃那样一层套一层,向外和向内都无限延伸。这可能是个令人困惑的想法,但比起其他关于宇宙起源的理论,它大概也并没有显得更加离谱吧。