黑洞将会通向哪里?

据国外媒体报道,假如可以穿越黑洞,你会去往哪里?会有什么等待着你?假如你能安然无恙地回来,又能讲述什么风趣的故事呢?
所有这些问题都可以用一句简单的话来答复,那便是谁知道呢?在科学技术日新月异的今天,黑洞的奥妙依然莫测高深。
落入事件视界之后,实际上便是越过了一层屏障。
一旦有人掉下去,就再也不能把信息传回来了,他们会被巨大的引力撕成碎片。
所以理论上,任何穿过事件视界的人不会去往任何地方。
这听起来似乎是一个令人失望和痛苦的答案,但其实也在意料之中。
爱因斯坦的广义相对论将时空与引力作用联系起来,预言了黑洞的存在,后来的研究表明,黑洞是由质量足够大的恒星死亡所产生的。
恒星死亡之后,会留下一个小而致密的残余核心,假设这个核心的质量约为太阳的三倍以上,那么引力就会使其坍缩,成为一个点,称为奇点(又称引力奇点或时空奇点),这是一个体积无限小、密度无限大、引力无限大、时空曲率无限大的点,被认为是黑洞的中心。
由此产生的黑洞具有极其强大的引力,甚至连光线都无法逃脱。
因此,如果你发现自己处于事件视界时,你就注定无处可逃。
德国天文学家卡尔史瓦西(Karl Schwarzschild)计算得出,如果某天体的全部质量压缩到很小的引力半径之内,那么其所有物质、能量(包括光线)都将被引力囚禁在内。
从外界看,这一天体就是绝对黑暗的存在,也就是黑洞。
事件视界就是黑洞周围的时空曲隔界线,光和物质只能向内通过事件视界。
根据梅西的说法,潮汐力会把你的身体缩成原子链的形式(也被称为意大利面化),并最终会在奇点处被压碎。
你或许会想在黑洞的另一端逃出来,但这似乎完全是幻想。
那么,虫洞呢?
虫洞的想象图。
如果虫洞存在,它们可能会通向另一个宇宙。
但是,没有证据表明虫洞真实存在,也没有证据表明黑洞也会像虫洞一样
多年来,科学家一直在研究黑洞成为虫洞的可能性,是否能通往其他星系。
正如一些人所说,黑洞甚至可能是通往另一个宇宙的路径。
这样的想法已经流传了一段时间。
1935年,爱因斯坦与内森罗森(Nathan Rosen)合作建立了连接时空中两个不同点的虫洞(又称爱因斯坦-罗森桥)假说。
但在20世纪80年代,物理学家基普索恩(Kip Thorne)发起了一个讨论,试图了解一个物体能否以物理方式穿过虫洞。
这一讨论为虫洞理论开辟了一些新的领域。
索恩是研究爱因斯坦广义相对论天体物理学含义的世界顶尖专家之一。
梅西说:当我还是个孩子的时候,最先让我对物理学产生了兴趣的,就是基普索恩那本关于虫洞的畅销书。
然而,虫洞似乎并不存在。
事实上,索恩在他的《星际穿越》(The Science of Interstellar)一书中写道,我们的宇宙中没有任何物体会随着年龄的增长而变成虫洞。
索恩向好莱坞电影《星际穿越》(Interstellar)的制作团队提供了专业建议。
索恩表示,穿越虫洞这样的理论性通道,很可能仍是科幻情节,而且没有确凿的证据表明,黑洞会允许这样的通道存在。
但是,问题在于我们无法近距离亲眼看到黑洞。

我们甚至不能拍摄黑洞内发生的任何事情,因为光不能逃离黑洞的巨大引力,照相机就什么也拍不到。
根据目前的理论,任何穿过事件视界的东西都会被简单地添加到黑洞中。
而且,由于时间在接近这一边界的地方会发生扭曲,这一过程似乎将极其缓慢地发生,因此我们不会很快获得结论。
我认为标准的说法是,它们导致了时间的终结,哈佛大学天文学和物理学教授道格拉斯芬克贝纳(Douglas Finkbeiner)说,远处的观察者不会看到他们的宇航员朋友掉进黑洞。
当他们接近事件视界时,只会变得更红、更暗(由于引力红移)。
但实际上,他的朋友已经掉进了黑洞,到了一个超越永远的地方。
无论这个永远是什么意思。
也许黑洞会通向白洞
黑洞潮汐撕裂恒星事件的想象图。
当一颗恒星太接近超大质量黑洞时,就会发生潮汐撕裂事件
当然,如果黑洞确实指向星系或宇宙的另一部分,那么在另一边,可能就存在性质与之相反的东西。
这可能是一个白洞吗?这是1964年俄罗斯宇宙学家伊戈尔诺维科夫(Igor Novikov)在1964年提出的概念。
诺维科夫提出,黑洞与存在于过去的白洞相连。
与黑洞不同,物质和光线无法进入白洞,但可以从这一时空区域离开。
科学家一直在探索黑洞和白洞之间的潜在联系。
2014年,物理学家卡洛罗维里(Carlo Rovelp)和哈尔哈格德(Hal M。
Haggard)在《物理评论D》(Physical Review D)杂志上发表论文称,在有限的时空区域之外,存在一个满足爱因斯坦方程的经典度规。
而在这个有限的时空区域内,物质坍缩成黑洞,然后出现在一个白洞中。
换句话说,所有被黑洞吞噬的物质都有可能被喷出,当黑洞死亡时,它们可能就变成了白洞。
黑洞非但不会破坏它所吸收的信息,反而可能会停止坍缩。
黑洞可能会经历量子反弹,让信息逃逸。
如果是这样的话,前剑桥大学宇宙学家、理论物理学家斯蒂芬霍金的一个观点或许就能找到一些线索。
在上世纪70年代,霍金探索了黑洞因量子涨落而释放粒子和辐射(热能)的可能性。
芬克贝纳指出,霍金认为黑洞不会永远存在。
在1976年发表于《物理评论D》的论文中,霍金计算出,辐射会导致黑洞失去能量,进而缩小并消失。
另一方面,他声称辐射出来的粒子将是随机的,不包含黑洞内部的信息,导致其中的信息将永远消失。
这意味着,霍金的观点与量子理论相悖。
量子理论认为,信息不能被摧毁。
物理学认为,信息正变得越来越难以找到,因为一旦丢失,就不可能知道过去或未来。
霍金的想法导致了黑洞信息佯谬(black hole information paradox),长期以来一直困扰着科学家。
有些人认为霍金完全错了,而霍金本人甚至在2004年都柏林的一次科学会议上宣称,他犯了一个错误。
那么,我们是否要回到黑洞通过白洞来发出内部信息的概念呢?也许吧。
在2013年发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)的研究中,美国路易斯安那州立大学的豪尔赫普林(Jorge Pulpn)等研究者将圈量子引力论应用于黑洞,发现引力会朝着黑洞核心的方向增加,但会减少并撞开进入宇宙另一区域的任何物质。

这些结果为黑洞作为传送门的观点提供了额外的证据。
在这项研究中,奇点并不存在,因此不会形成一个不可逾越的屏障。
这也意味着,信息不会消失。
也许黑洞没有出口
然而,物理学家艾哈迈德阿姆黑利、唐纳德马若夫、约瑟夫波尔钦斯基和詹姆斯苏利仍然相信霍金的理论是有道理的。
他们研究的理论后来被称为AMPS火墙(或黑洞火墙)假说。
根据他们的计算,量子力学可以有效地将事件视界变成巨大的火墙,任何与之接触的物体都会在瞬间燃烧。
从这个意义上说,黑洞没有出口,因为没有任何东西能进入黑洞。
然而,这违反了爱因斯坦的广义相对论。
如果有人能跨越事件视界,那他实际上不应该感到任何很大的困难,因为一个物体将处于自由落体状态,根据等效原理,这个物体(或人)不会感受到引力的极端影响。
这一观点可以遵循宇宙中其他地方存在的物理定律,但即使不违背爱因斯坦的广义相对论,它也会破坏量子场论,或者表明信息可能会丢失。
一个不确定的黑洞
让我们再说回霍金。
2014年,他发表了一项研究,在其中避开了事件视界的存在,认为引力坍缩会产生一个表观视界。
这个视界将会使试图离开黑洞核心的光线悬浮起来,并会持续一段时间。
在他的重新思考中,表观视界暂时保留了物质和能量,之后才会吸收和释放它们。
这种解释最符合量子理论量子理论认为信息不能被摧毁而且,如果被证实,就将意味着任何东西都可以从黑洞中逃逸。
霍金甚至说黑洞可能根本不存在。
黑洞应该被重新定义为引力场的亚稳态束缚态,他写道。
这里不会有奇点,虽然表观视界会因为引力而向内移动,但它永远不会到达中心,并被合并成一个致密的物体。
然而,黑洞释放的任何东西都将不会是被吞噬的信息形式。
我们不可能通过观察结果来判断发生了什么,而结果本身就是问题。
有一件事是肯定的,在未来很长一段时间内,关于黑洞的谜团将吞噬更多的科学研究时间。
有物理学家最近提出,暗物质可以由黑洞蒸发后的残余部分组成。
2018年,霍金去世前最后一篇黑洞论文公布,题名为《黑洞熵与软毛发》。
文中描述了零能量粒子如何离开事件视界,并不再返回。
这个观点表明,信息并不是消失,而是被捕获。
然而,这与物理学家约翰阿奇博尔德惠勒提出的无毛定理相悖。
该定理的基础是,两个黑洞对观察者来说是无法分辨的,因为黑洞只有质量、角动量和电荷这三个不能编委电磁辐射的守恒量,其他信息都丧失了。
霍金的观点引起了科学家们的讨论,但可以想见,想要了解黑洞究竟通向何方,我们还有很长的路要走。
它没有撞上一颗更亮的星,也没有突然消失,而是拐过弯,继续绕圈。
天文学家盯着它看了多年,终于算出那片看不见的区域里,挤着相当于四百多万个太阳的质量。
我们所在的银河系,心脏处藏着一个黑洞。
事情到这里,本来已经足够惊人。
但镜头再往周围拉一点,你会发现另一个麻烦:黑洞附近竟然有一群年轻恒星。
那里的引力差异能扯散气体云,按简单的想法,造一颗新星应该很困难。
它们却明晃晃地待在那里。
这个最不适合安家的地方,怎么偏偏住进了一群年轻住户? 先别急着把飞船开过去。
银河系中心距离我们约两万六千光年,望远镜接收到的光,出发时人类还没有今天的城市。
而且,挡在路上的气体和尘埃很多,用普通可见光去看,就像隔着一层层烟找一盏灯。
肉眼能看见银河横过夜空,却没法直接看清那个最关键的中心。
科学家换了办法:用红外线穿过部分尘埃,再用更大的望远镜、更精细的技术,压低大气扰动带来的模糊。
原来挤成一团的光点,逐渐分出了各自的位置。
隔一段时间拍一次,再把照片连起来,星星就动了。
你以为恒星都钉在天上,只是因为平时离它们太远,看不到这种快进后的舞蹈。
其中一颗著名的恒星叫S2,绕中心一圈大约需要十六年。
它的路线不是一个漂亮的正圆,而是一条很扁的椭圆:远处慢一点,贴近中心时猛然加速,再冲向远处。
我们熟悉的行星也有类似规律,只不过这颗星面前的引力来源,比太阳强得多,而且大部分看不见。
这正是证据最硬的地方。
无需先拍到黑洞,恒星怎么运动,就能帮助我们给中心称重。
轨道的大小、周期和速度合起来,限定了那里必须有多大的质量;多颗恒星的运动又相互印证。
质量这么大,范围又这么小,用一堆普通恒星勉强凑出来,会遇到稳定性和观测上的难题。
2022年,事件视界望远镜合作组织公布了银河系中心黑洞的图像。
它叫人马座A星,名字里的“星”是历史命名的一部分,别把它当成一颗正常发光的恒星。
照片中那个偏橙色的环,也不是黑洞表面被烧红了。
我们看到的是周围炽热物质的辐射,以及强引力作用下形成的亮暗结构。
中间的暗区与黑洞阴影有关。
掉进事件视界以内的光无法再出来,周围的光路还会被弯曲,最后形成我们能接收到的图像。
颜色经过了科学可视化处理,橙色不是它在眼睛里本来就会呈现的样子。
但这不妨碍它成为一张重要的实测图:天文学家终于把恒星轨道和中心附近的影像,对到了一起。
既然它这么重,为什么没有把整个银河系一口吃掉?因为黑洞不会隔着两万多光年,像吸尘器一样把一切吸过去。
远离它的地方,引力仍按距离衰减。
假如把太阳换成一个质量相同的黑洞,地球的轨道并不会因此立刻崩溃,只是阳光没了。
当然,真实的银河系中心黑洞质量远大于太阳。
更重要的是,太阳绕银河系运行,受到的不仅是中心黑洞的引力,还有恒星、气体以及暗物质等共同构成的引力场。
把整座银河理解成一个黑洞牵着所有星星转,会漏掉绝大多数质量。
人马座A星在自己附近非常有统治力,放到整个银河的尺度上,却不能包办所有事情。
现在再回到那些年轻恒星。
麻烦不在于“靠近黑洞的星一定会被吃掉”,稳定轨道上的恒星可以长时间生存。
真正难的是它们怎样形成。
造恒星需要气体聚集,越聚越密,最后塌缩。
但黑洞附近,气体云两端受到的引力可能差很多,一边被拽得更快,一边跟不上,云就容易被拉散。
这有点像你想把一把细沙堆成小塔,桌子却一直从两个方向拉扯。
沙塔不是绝对堆不成,但原先那套轻松的办法,未必还管用。
科学家因此把问题称作银河系中心的“年轻恒星悖论”。
这里的悖论,不是自然违反了物理规律,而是观测给出了结果,我们还得解释过程。
一种思路是,它们可能在较远、比较有利的环境里出生,之后通过动力学过程走近中心。
另一种思路是,足够密集的气体盘在特定条件下,也可能抵抗拉扯并形成恒星。
还有涉及双星的机制:两颗相互绕行的恒星靠近黑洞,可能被拆散,一颗被甩走,另一颗留在紧靠黑洞的轨道上。
这些方案都不能只凭一句“也许”就算过关。
它们要解释恒星的年龄、质量、轨道方向和分布,解释为什么有些星像组成了一张盘,有些星的路线又显得杂乱。
每多测准一条轨道,就多一道必须通过的检查。
不同区域、不同群体,也未必都来自同一条出生路线。
中心附近还有气体、尘埃、磁场和偶尔增强的辐射,并非一片什么都没有的黑色空地。
黑洞吃进去的物质不总是很多,却会发生亮度变化。
想象你隔着很远拍一只不断晃动的动物,每次快门里的细节都变了,就能理解为什么给它做成清晰图像,比拍一个固定目标费劲得多。
恒星的运动,还能让这里变成检验引力理论的现场。
S2接近黑洞时,光谱会出现与强引力和高速运动有关的变化;它的轨道方向也会缓慢转动,画出来像逐次展开的花瓣。
这些观测与广义相对论的预言相符。
看起来奇怪的动作,反而给我们提供了计算能不能对上现实的机会。
所以,听到“银河系中心不对劲”,先别把它理解成那里开了宇宙传送门。
一个看不见的重物、一群不容易解释出生过程的年轻星,再加上快速变化的气体,已经足够让天文学家忙上几十年。
研究里的悬念,可以很大,但不需要拿外星文明或时空裂缝给它加戏。
而且,我们此刻看到的是那个区域很久以前的样子。
这个距离决定了任何新信息都要花很长时间才能抵达。
它不是窗外正在发生的一场爆炸,也没有证据表明中心黑洞即将沿着银河冲向地球。
它让人紧张的,是尺度和环境;让科学家着迷的,是我们真的能把这些东西一点点量出来。
如果未来真能站在一艘安全的观测飞船上,从远处望向那里,最先让你惊讶的未必是黑。
周围的恒星会很拥挤,气体在不同波段下呈现复杂结构,最深处的目标却依然不能直接发光。
危险与热闹挤在同一个地方,恒星还在沿着各自的路线赶路,丝毫没有给我们的直觉留面子。
银河系中心最有意思的秘密,就藏在这种反差里:一个黑洞已经被多条证据确认,一群年轻恒星的来历仍值得追问。
S2每绕完一圈,都替我们补上几笔答案。
夜空里那些看似静止的小点,其实正在最极端的引力场旁边跑。
我们暂时去不了,却已经能听懂它们脚步里的信息。
于是,“宇宙模型错了”“大爆炸被推翻”这样的标题迅速出现。
一张深空照片,仿佛把几代人的理论同时掀了桌。
可是,如果你把那些小小的红色亮点放大,最关键的问题才刚开始:我们看到的光,到底由谁发出来?这处答案的差别,足以改变一整个星系的“体重”。
韦伯擅长观察红外光。
宇宙膨胀会拉长遥远天体发出的光的波长,原本较短波长的光,抵达我们时可能已经进入红外范围。
它能够帮助人类观察很早的星系,看到恒星与黑洞成长初期留下的光。
那里不是今天的现场,而是经过漫长旅程,终于到达望远镜的旧画面。
早期宇宙的麻烦,是时间不太够用。
气体要聚集,恒星要形成,小系统要成长,有时还要经历合并。
如果在宇宙诞生仅几亿年后的画面里,就出现许多看起来十分庞大的星系,研究人员当然会追问:已有的成长模型是否把某些过程算慢了?或者我们估计它们质量的方法,有没有偏差? 注意照片并不会直接显示质量。
望远镜接收到光,研究人员再结合距离、光谱与恒星模型,估计目标拥有多少恒星。
这个过程有点像夜里远看一栋楼,通过亮着的窗户估计住了多少人。
你得知道窗户平均有多亮,也得判断有没有一盏特别强的探照灯,把整栋楼照得比实际更热闹。
早期星系里的恒星,未必与附近星系的恒星具有相同年龄分布。
年轻的大质量恒星很亮,少量这样的恒星就能贡献许多光;尘埃又会改变不同波段的亮度。
即便确实来自恒星,怎样把光换算成质量,仍需要谨慎。
看起来很亮,可以是星很多,也可以是某些星特别能发光。
那盏“探照灯”还有一个更惊人的候选者:正在吞吃物质的黑洞。
黑洞自身不把内部的光送出来,但周围落入的气体会在复杂运动中变热并释放强烈辐射。
如果一部分亮光来自这种过程,却都被算成恒星发出的光,星系中的恒星质量就可能被高估,像把舞台灯也算成了观众。
韦伯发现的一类紧凑红色目标,被称为“小红点”。
这个名字几乎没有替它们做解释,只是把观测到的样子记下来。
它们很小、很红,有些光谱里还出现宽阔的氢谱线,提示发光气体有很大的运动速度。
正在吸积的黑洞,是解释部分目标的重要方向,但整类对象的性质仍有争论。
所以,把一张图里每一个红点都叫“过于巨大的星系”,会过早给它们定身份。
研究人员需要继续测光谱,查看不同波长的特征,比较黑洞、气体、恒星各自可能贡献多少。
第一张照片给的是线索,后续测量才逐渐拆开线索里混在一起的东西。
这也解释了为什么新闻里的结论会变化。
2024年,一项对韦伯早期星系的研究就强调,部分目标的光可能受到黑洞贡献影响,剔除这种干扰后,某些原先夸大的恒星质量可以降下来。
它没有让所有问题消失,却说明一个很现实的反转:所谓“宇宙没时间造出它”,有时可能是我们一开始把它估得太重了。
但别马上走到另一个极端,说这些发现原来只是误会。
即使修正了部分质量,早期星系为什么如此明亮、恒星形成效率怎样、黑洞为什么那么早成长起来,依然需要研究。
韦伯带来的价值,恰恰是让这些问题有了更详细的证据。
原本模糊的远方,现在终于能提出更尖锐的问题了。
这里还藏着一个层级差别。
宇宙学模型描述宇宙整体怎样膨胀、物质成分如何影响大尺度演化;星系形成模型则要处理气体冷却、恒星形成以及能量反馈。
后一层里某些参数需要修改,并不自动意味着前一层已经崩塌。
厨房里的烤箱温度估错了,不能立刻证明整栋楼的建筑图是假的。
当然,整体模型也不是不可挑战的。
假如大量独立观测持续出现无法解释的矛盾,就需要认真检查基础假设。
但要达到这一步,得排除测量偏差、目标识别错误和模型中的普通不确定性。
一个诱人的候选体,或者一篇刚出来的分析,还不足以替所有证据宣布最后结局。
远方目标的距离也需要核实。
几种滤镜中的颜色可以帮助挑选很遥远的候选星系,却可能被较近的尘埃丰富目标混淆。
光谱能提供更可靠的红移信息。
因此,你看到“最远候选星系”时,要留意候选两个字;完成进一步确认以后,才更适合拿它的年龄去检验宇宙成长的速度。
已经确认的早期星系同样令人吃惊。
例如韦伯对JADES-GS-z14-0的光谱观测,显示我们看到的是大爆炸后约2.9亿年的它。
这个具体例子告诉人类,很早的宇宙已经能形成明亮星系。
它不必被包装成“当天推翻全部理论”,也足以让研究人员重新琢磨气体如何快速变成恒星。
还有些研究,正在探索被浓密气体包围的黑洞,是否能解释部分小红点的表现。
听起来像科幻的“黑洞星”,在这里指的是一类模型解释,不是已经给每个红点确定了户口。
不同模型要接受光谱等观测的检验,哪一项能同时解释更多特征,哪一项才更有说服力。
对普通读者来说,这种一步步修正往往没有“理论全错”那么痛快。
可真实的探索就发生在这里:同一束光中到底包含多少恒星,多少发热气体,目标究竟多远?每答对一个问题,宇宙的历史就少一点模糊。
被修改的数值,是更接近真实的代价,不是科学不许承认的丢脸现场。
你还可以做一个小小的阅读检查。
新闻说“过于庞大”,究竟指尺寸大,还是推断的恒星质量高?说“太早出现”,距离有没有光谱确认?说“模型解释不了”,是哪个模型、哪组假设?这几个问题一问,许多看起来气势汹汹的标题,就会恢复成一项具体研究本来的样子。
目前,韦伯的早期星系观测正在推动对星系与黑洞形成的研究,不能据此断言大爆炸已被推翻。
未来也可能出现迫使我们进一步改理论的新证据,没有人能提前把门关上。
但改多少、改哪一层,应该由可重复的观测决定,不能由一张照片配上的惊叹号决定。
那张深空照片依然值得多看一会儿。
画面里的小亮点,有些把我们带到宇宙刚开始形成星系的年代。
人类第一次看清它们,就发现以前设想的成长过程可能还不够完整。
最让人想继续追下去的,其实是这个尚未结束的故事:在那么年轻的宇宙里,究竟是谁先把灯打开了?