深度長文：深層解讀黑洞，黑洞或許隱藏著宇宙終極奧秘！

我們先從黑洞的形成來分析一下：

我們都知道引力，其實引力是一種很弱的力，即使地球的質量高達 6×10^24 千克，你也可以跳起來，或者乘飛機飛到天空中去。

但是你的這種自由只是暫時的，物體通常在離地之后總會再落下來，除非你的速度超過一定數值。 如果你能以每秒 11 千米的速度從地面上跳起，你就可以逃脫地球的引力。科學家至少要以這樣的逃逸速度發射火箭才能將飛行器送入太空。

一個天體體型越大，物質排列越緊密，其逃逸速度就越高。從木星、太陽到白矮星、中子星，它們的逃逸速度是依次遞增的。 然而，最大的那些恒星的核心坍縮之后會形成一個密度極高的物體，這就是「黑洞」，其逃逸速度甚至比光速還要高。 因為沒有什么能比光傳播得更快，所以也沒有什么東西能從這些「黑洞」中逃脫。

這就是它們名字的來歷——所有的光線都被它們吞了進去，所以它們看起來是黑色的。 如果你太靠近黑洞，就會被它的引力永久地困住，不管多大的推動力都不能讓你擺脫它的魔爪，而這個無法逃離的邊界被稱為「事件視界」。

當跨過這條邊界的時候，你可能都沒覺得有什么不對勁兒的地方，但是這會改變你的命運。 假如你的腳先跨過事件邊界，那么黑洞對你的腳的引力比對你的頭的更大，并且二者之間的差異最終會超過原子鍵的強度，這時你會被拉長，物理學家稱其為「意大利面條化」。

那么，當你被黑洞扯成一根長長的意大利面的時候，你會落入何處呢？這是現代物理學中最棘手的問題之一。

根據愛因斯坦的廣義相對論，嚴格地說，恒星的核心最終會坍縮成一個體積無限小、密度無限大的點，我們稱之為「奇點」，空間和時間都在此處完結。

我們通常認為，落入黑洞的物體都被吸入了奇點。

質量最大的那些恒星在死亡時會形成一個將時空扭曲到極限的黑洞，任何東西都無法從中逃脫 不過，這可能還沒有揭示全部的真相，因為它忽略了量子物理中對于微觀尺度下物質規律的描述。

引力波

2015 年 9 月 14 日被載入科學史，成為具有里程碑意義的一天。在這一天，我們打開了一扇觀測宇宙的新窗戶。這件事要從非常非常遙遠的星系說起。

大約在 13 億年前，兩個黑洞——其中每一個黑洞的質量大約都是太陽的 30 倍——在相互纏繞、旋轉后相撞。這次相撞的動靜實在太大，巨大的沖擊波沖破了時空原本的結構，以光速向外傳播，這些引力波最終于 2015 年 9 月到達地球。

正巧，我們在那時剛剛啟動了一臺能夠捕獲引力波信號的探測器。隨后在 2015 年 12 月、2017 年 1 月以及 2017 年 8 月，我們又檢測到了別的黑洞合并過程中的引力波。 另外，科學家們還在 2017 年 8 月捕獲到了兩顆中子星合并所產生的引力波信號。未來，我們一定還會捕獲越來越多的引力波。

引力波這一概念早在一個世紀前便已被提出。愛因斯坦早在 1915 年提出廣義相對論時就預言了引力波的存在，但是我們卻用了整整 100 年才第一次探測到它的信號。 這是因為引力波就像池塘中的漣漪，會在向外傳播的過程中逐漸消失，引力波在抵達地球時已經變得很微弱了，因此很難被探測到。

13 億光年，這是一段相當長的路程。

用于探測引力波信號的是激光干涉引力波天文臺（LIGO），它是由兩臺分別位于美國華盛頓州和路易斯安那州的探測器組成，這兩臺探測器都是由兩根 4 千米長的真空管組成的直角。 一束激光經過一個分光器，分成兩部分射向兩條真空管的末端，然后被末端放置的鏡片反射回來。

一般情況下，兩邊的激光會在相同的時間回到出發點。 但是，如果引力波在激光傳播的過程中到來，那么其中一根管道中的空間就會被輕微地拉伸和收縮（因為引力波實質上是時空結構的擾動），這就意味著一束激光回來的落點也會發生改變。 LIGO 的靈敏度相當高，可以探測相當于質子（原子中心帶正電的粒子）直徑的 1/10000 的距離改變。

再打一個比方，它可以測量出地球到比鄰星（除太陽之外離我們最近的恒星）之間 40 萬億千米長的距離中一根頭發絲直徑的變化。

2017 年 10 月，為這一發現做出努力的三位科學家被授予諾貝爾物理學獎。這些探測意義非常重大，因為很多宇宙中的重大事件發生后只會發出引力波信號，而我們終于能夠探測到這些事件了。

時間膨脹

愛丁頓于1919 年完成的日食觀測，證實了愛因斯坦的廣義相對論中提出的一個觀點：

大質量物體會扭曲其周圍的空間結構，而引力波的發現則進一步鞏固了該觀點。 事實上被扭曲的不僅僅是空間，時間也是如此。還記得愛因斯坦把時間和空間合并為一個被稱為時空的四維結構嗎？

這告訴我們，時間流逝的速度會隨著時空扭曲程度的不同而改變，如果你靠近一個重物，你的時間就會比別人的時間流逝得更慢。 即使是在地球上，這種時間的膨脹也是非常需要注意的。對于儲存在實驗室里不同架子上的那些有著極高精準度的原子鐘而言，如果有哪一個被放在更靠近地面的位置，那么最終它們就會無法同步。

我們還會定期修正 GPS 衛星上的時鐘，因為它們位于太空中，時空扭曲的情況更輕，時間流逝得比地面上更快。 不過在黑洞附近，這種時空扭曲的程度會非常明顯。

在風靡一時的影片《星際穿越》中，繞著黑洞飛行的宇航員所經歷的 1 個小時相當于我們在地球上經歷 7 年。

如果目送一個人逐漸接近黑洞，你會發現他們身上發生的一切都變得越來越緩慢，最后，當他們的身體即將跨越事件視界的時候，他們看起來就像被凍住了一樣。 在你看來，他們的時間已經完全停止了；但在他們看來，是你的時間停止了。

這是引力時間膨脹，但還有一種由速度引起的時間膨脹。如果我說「飛人」博爾特在 100 米短跑中能贏你，你一點兒都不會驚訝，因為他能以更快的速度來跨過空間。

如果我說博爾特能比你更快地度過時間，可能你就會覺得有些奇怪了，但事實的確是這樣，因為實際上你們是在時空中賽跑。

在這個例子中，你和博爾特的速度差異并不是很大，所以時間流逝的速度在你們兩者之間的差異也很小，而當速度差異更大就會產生更明顯的效果。 宇航員根納季·帕達爾卡（Gennady Padalka）保持著在太空中停留時間最長的世界紀錄——1998 至 2015 年，他在和平號空間站以及國際空間站中共計停留了 879 天。

在這段時間中，他以每小時 28 000 千米的速度行進。考慮到上述兩種原因引起的時間膨脹，如果他一直待在地面上的話將會比現在老 0.02 秒。 這使得帕達爾卡成了人類歷史上最偉大的時間旅行者，他向未來旅行了 1/50 秒。

白洞與蟲洞

如果說黑洞是一個你永遠無法從中逃離的存在，那么白洞就是你永遠無法返回的地方。 黑洞只進不出，而白洞只出不進。不過目前，白洞還只是理論性推測，只存在于愛因斯坦廣義相對論的數學推導中。 物理學家們在考察黑洞中的物體接近奇點時會發生什么的問題時，便會出現「白洞」。

新西蘭物理學家羅伊·克爾（Roy Kerr）在 20 世紀 60 年代時提出，黑洞中的奇點并不是一個點，而是一個環。 通常情況下，一個撞入奇點的物體會被奇點從時空中抹去，但是如果克爾環（克爾提出的這個「環」）存在的話，它就能毫發無損地穿過去。

那么，這個穿過克爾環的物體去哪兒了呢？

克爾根據愛因斯坦方程計算得到的結果顯示，它會進入一個被稱為「愛因斯坦–羅森橋」的隧道，然后在另一端被白洞「吐」出。

有些人認為物體從白洞出去之后到達的仍然是我們所在的宇宙內部，只是位置發生了變化，而另外一些人則認為物體此時已經處于另一個宇宙中了。

無論哪一種說法是對的，由于白洞只能出不能進，這個物體都無法再通過白洞回到原來所在的地方。 愛因斯坦–羅森橋有一個更為通俗的名字：蟲洞。這個名字來源于蟲子在蘋果中運動時做出的選擇，它既可以選擇從蘋果的表面爬到想要去的地方，也可以選擇在蘋果內部穿行一段更短的路徑。

我們常常在科幻小說中見到作為時間和空間上的捷徑的蟲洞。確實，蟲洞的物理特性表明我們也許可以借助它回到過去。

但是，如果它們存在的話——這是一個相當大膽的假設——它們可能很不穩定，并且很快就會關閉。

時空可能會以圖中的方式彎曲，此時會出現一條捷徑，我們可以利用它來進行時間旅行 所以，就目前掌握的情況而言，白洞和蟲洞只是數學上的有趣推論，倘若有一天我們真的找到萬物理論，情況可能會發生變化。

霍金輻射

作為一名理論物理學家和宇宙學家，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）教授終其一生都在鉆研黑洞的奇異特性。他最重要的貢獻之一，就是提出黑洞會在被稱作「霍金輻射」的效應下逐漸蒸發。

物理學家知道，看似空曠的宇宙不可能真的是空的。宇宙不斷地將能量轉化為一些成對的粒子，它們就像灰姑娘的馬車一樣，很快就會消失，否則就違背了物理定律。 而霍金天才般地將這一過程放到黑洞的事件視界上。

他想象出的場景是這對粒子中的一個落入了黑洞中，而另一個在外面，由此它們就再也無法一起成對消失了，于是一個被黑洞吸收，另一個則逃到無邊無際的宇宙中。 這個落單的粒子在向外逃逸時會吸收一部分來自黑洞的能量，而它帶著能量向外傳遞的過程就是霍金輻射。 但是帶走的這些能量對于黑洞來說只是九牛一毛，一個黑洞需要 2 000 億億億億億億億億年才會完全蒸發，這個數字是 2 后面有 67 個 0！

也就是說，黑洞并不完全是黑的，它們會以霍金輻射的形式發出極為微弱的光芒。

萬物理論

史蒂芬·霍金在黑洞通過霍金輻射逐漸蒸發的研究中結合了物理學中最重要的兩個理論：量子力學——微觀尺度下粒子運動的規律，以及愛因斯坦的廣義相對論。

對于黑洞這樣一個獨特的物體來說，這兩種理論都很重要。通常情況下，對引力以及行星的公轉軌道進行計算時不需要考慮量子力學；同樣，解釋原子的運動規律時也不需要考慮引力。

但黑洞是不一樣的，當恒星發生坍縮時，大量物質被塞進了一個很小的空間中，引力突然在原子大小的尺度上也起到了作用。 廣義相對論描述了引力是如何由彎曲的時空引起的，如果嚴格按照這種說法，是黑洞將彎曲的時空成了一個叫作奇點的東西。

但是體積無限小、密度無限大對于一個物體而言到底意味著什么呢？量子力學的規律對于一個比原子還小的空間來說還有效嗎？

物理學家們非常重視這些問題，并且一直試圖將量子力學和廣義相對論結合成一個理論——一個可以用于解釋宇宙萬物的通用框架，從最小的亞原子粒子到最大的超星系團全都適用，這就是萬物理論。

然而，物理學家在這條探索之路上屢屢受挫。這兩種理論就是不太能很好地結合在一起。它們是完全不兼容的，對其中一個理論的應用會產生與另一個理論的不可調和的分歧。 而這促使物理學家們開始探索更加極端的可能性，其中包括探索更多的維度——而非我們熟悉的三維時空。

（超）弦理論與圈量子引力

近年來，由于美國哥倫比亞廣播公司（CBS）熱播劇《生活大爆炸》中那個與社會格格不入的天才謝爾頓·庫珀（Sheldon Cooper）高漲的人氣，弦理論已成為流行文化的一部分。

它是物理學家試圖統一量子力學和萬有引力、探索萬物理論的方法之一。 這一理論的基本前提是，我們周遭的一切都是由很小的弦發生振動構成的。

就像用不同的方式在樂器上撥動琴弦會產生不同的音符一樣，這些弦的振動會創造出各種亞原子粒子。而把這與超對稱性理論相結合，就有了超弦理論。 弦理論的研究者可以使用這一模式來將量子力學和廣義相對論結合在一起，但是他們的方程只有在空間有 9 個維度時才成立。

這些物理學家為了解釋為什么我們所見到的世界是 3 維的，提出其他維度蜷縮到了微觀世界中，我們無法觀察到它們。

但是，目前仍然沒有任何證據顯示這些維度真的存在，也無法證明超弦理論不只是一個存在于數學推導中的幻想。 在《生活大爆炸》的前幾季中，謝爾頓有一個死對頭叫作萊斯莉·溫克爾（Leslie Winkle），她的研究重點是圈量子引力論，這是另一個將量子力學和廣義相對論結合在一起的理論。

愛因斯坦認為，時空是一種連續的結構，當它被大質量物體彎曲時會產生引力。但是在量子力學中，沒有任何東西是連續的。

在圈量子引力論中，時空量子也是不連續的，而是由一些閉合的環編織而成的結構，就像羽絨被一樣。 起初，它看起來像是一個整全的編織物，但是在顯微鏡下你會發現它實際上是由一個個獨立的針腳組成的。

在圈量子引力論中，時空并不是平滑的，而是呈顆粒狀，這可以通過某些方式進行驗證。 天文學家正在觀測并研究來自遙遠星系的光，驗證其是否在傳播過程中被這種時空結構所改變。