黑洞里面是什么

黑洞里面是什么？

没有信号能从洞里出来告诉我们答案，也没有哪个勇敢的探险家在进入黑洞考察后还能出来告诉我们结果，他甚至不能向我们发出任何信息。

但人类的好奇心是不会满意这种回答的，人们找到了一个解决问题的工具：物理学定律。运用物理学定律，人们了解到黑洞深处的时空倒置、奇点以及奇点背后的另一个宇宙……

一艘巨大的宇宙飞船正在黑暗深邃的太空中疾驶前行，飞船里的宇航员们正在聚精会神地工作，四周一片宁静。突然，飞船里所有的东西包括飞船本身都旋转了起来，越转越快，越转越急，而在飞船外面，无数不知名的物体猛烈而又频繁地撞击着飞船。

飞船里陷入一片混乱。报警器还没来得及鸣叫，就彻底丧失了作用！操作系统同时大面积崩溃，宇航员与外界的一切联系中断！宇航员们面面相觑，不知道发生了什么事。但这仅仅是噩梦的开始，很快，飞船似乎被一股令人恐怖的超强大力量包围起来了，无形的力量肆意蹂躏着飞船，将它压扁又拉长，紧接着，飞船被解体、被粉碎，与周围的宇宙物质混合在一起，似乎被吸入一个无形的旋涡，正在向一个令人恐惧的万丈深渊陷落……陷落……

最后，飞船消失了，宇航员消失了，一切都消失得无影无踪，四周愈发黑暗，陷入更深的沉寂。

引力造就的恶魔

这场恐怖悲剧的制造者是谁？是黑洞。黑洞是我们宇宙中最奇怪、最神秘的物体，由于质量极其集中，它的引力场非常大，在其周围形成了一个极强的旋涡，任何靠近它的物质都会被统统吸进去，然后被牢牢囚禁在里面，甚至连光线也被它强大的引力拉回洞里，无法逃脱。因此，黑洞是宇宙中吞噬万物的恶魔，是任何物质陷进去再也逃不出来的无底深渊。

那么，如此恐怖的黑洞是如何形成的呢？理论上，任何物体只要将体积压缩至一定大小，使表面的引力强大到能抑制光的射出，则都能变成黑洞。这情形就好比用一台威力巨大的压缩机，把你压缩成原子的1000万亿之一，直径不到10的负23次厘米的大小，你就会变成一个黑洞；同样的道理，把地球压缩成一颗台球的大小，或者把太阳压缩成半径为3公里的圆球，它们也会变成黑洞。

可是事实上，黑洞的形成条件是很苛刻的，因为物体很难被压缩，它有电磁力来连结原子和分子，构成一张晶状网，这张晶状网顽强地抵抗着强大的压缩力量。所以，只有一个物体的质量极大，其向内坍缩的引力极其强烈，才能制造出黑洞。科学家们计算出，当一颗死亡恒星的残骸的质量大于3个太阳质量时，那个残骸还要不可避免地向内坍缩，最终形成黑洞。

这也就是说，引力是黑洞形成的决定性因素。引力虽然在我们的日常生活中常常被忽视，但却是宏观宇宙中最为重要的力量。假定有一台引力调节机，转动其旋钮就能改变引力的大小，我们就会看到许多有趣的事，当引力接近于0时，任何一个物体都在空中晃晃悠悠地飘来飘去；引力在1牛顿时，这就是地球的引力作用，人可以比较轻松地奔跑和跳跃，但再也飘不起来了；引力在3牛顿或4牛顿时，人们就会动弹不得，连移动一只脚也很困难；引力再大一点，人们根本无法站立了，只得永远躺在地上；引力达到100万牛顿时，一切我们熟悉的东西都不能幸存，只有光线看上去还是直的；引力达到10亿牛顿之后，不可思议的事情发生了：原来笔直射向天空的光束出现了明显的弯曲，而且引力越大，光线弯曲得越厉害，最后甚至会逆转回来射向地面，就像一头扎进洞里，永远不再出来。这时黑洞就形成了。

黑洞视界：被拉成面条的宇航员

严格而言，黑洞并不是通常意义下的“星”，而只是空间的一个区域。这个区域有什么奇妙的性质呢？先看黑洞的“表面”，它是一个球面，称为“视界”，但视界并不是黑洞这个物体的表面，而是一个时空区域的边界。因为连光波都被囚禁在洞里，所以没有任何信号能够从黑洞里越过这条界线到达黑洞之外，外界观测者永远也无法知道黑洞里发生些什么，视界把我们与黑洞内部隔离开来。要想实地探测黑洞内部情形，唯一的途径是观测者本人坠入到黑洞里去。

但一个观测者如何穿越视界进入黑洞呢？在视界附近他会遭遇到什么情况呢？根据广义相对论，强大的引力会使物体周围的空间发生强烈弯曲，因此，在靠近黑洞视界的地方，空间的扭曲程度非常高，任何一个冒险来到视界附近的宇航员都要遭受可怕的折磨。

在接近黑洞视界时，如果宇航员的脚朝黑洞，头朝外，脚受到的引力就会被头大得多，这种头和脚的引力之差就叫做潮汐力，他的身体将被黑洞的潮汐力无限拉长，像一根越拉越长的面条。这就如同一个人吊在某个城市的高高的电视发射塔上，而全城的人都吊在他的脚上。最终，潮汐力将把宇航员拉成两半。

在黑洞视界附近，光线也变得不一样了，它发生了“引力红移”。由于强大的引力场作用，黑洞视界附近飞船上发出的光，波长会无限拉长，频率会无限变低，并向光谱的红端移动，这就是“引力红移”。越靠近黑洞视界，红移现象就越明显，从远处看去，飞船越来越红，越来越暗，最后冻结在黑洞的表面上。

让我们现在来看一下时间的流动。黑洞的强引力场不仅使空间弯曲，同时也会使时间停滞。时空弯曲的地方，钟走得慢；时空弯曲得越厉害，钟就越走得慢。因此，如果我们在一个离黑洞遥远安全的地方关注着飞向黑洞视界的宇航员，就会发现是靠近视界，宇航员飞船上的时间越来越慢，宇航员的动作也越来越慢。飞船上时间不断变慢的结果就是：飞船到达黑洞边界的时间变得无限长。最后，在黑洞的边界上，时间就完全停止了，宇航员像面条一样的身影似乎永远凝固在视界表面上。

这里的原因在于，黑洞视界上的极其强大的引力场会把飞船的速度加速到相当于光速，我们知道，根据相对论，飞船的速度越接近光速，光线传递的时间间隔就越长，使飞船上的宇航员看上去动作越来越慢。当黑洞视界上最后的光线传到远处

时，再也没有后续光线传出来了，那最后的光线就把宇航员越过视界时的姿势凝固了。

然而，对于那个正在穿越视界的宇航员来说，他看到的事情将是完全不同的，在光速飞船里，他看到的一切都正常，钟表仍然以正常的速度走动，除了强大的引力正在摧毁他的身体外，他还没有感觉到黑洞视界上的其他奇特变化。假如不向外看飞船周围吞噬一切的黑暗，他也不会知道，他正在进入可怕的黑洞世界。

最后，一个穿越视界、被黑洞吞没的宇航员将无法再出来，无论飞船的火箭发动机如何强大，他也无法发出任何信息、任何信号，即使是宇宙中最快速的信使——光——也无法逃离。对外部观察者而言，进入黑洞后的飞船和宇航员都发生了哪些事，已经是另一个时空的故事了。从这个意义上来说，黑洞视界是宇宙中时空的分界，在视界以外，事物可以通过光信号在任意距离上相互联系，这就是我们所居住的正常宇宙；而在视界以内，就是我们无法通过光信号与之联系的黑洞。

时空颠倒的世界

在黑洞视界内的情况，又是怎样的呢？视界是一个单向膜，只准进，不许出。广义相对论证明，视界内物体不可能保持静止，也不可能以稳定的轨道绕中心转动，它唯一不可抗拒的命运是以极快速度落到黑洞中心。对于质量为太阳10倍的黑洞，物体从视界坠入黑洞中心时间还不到10万分之7秒！多么惊人的速度！因此，在视界内部，除黑洞中心区域有物质外，其他地方完全是空无一物！

更为惊奇的是，在黑洞的内部，由于强大的引力，潮汐力也很大。物体向黑洞坠落的过程中，潮汐力越来越大，在中心区域，引力和潮汐力都是无限大。因此，在黑洞中心，除了质量、电荷和角动量以外，物质其他特性全部丧失，原子，分子等等都将不复存在！即使是质量，电荷和角动量，也不可能是某一部分物质特性，而是黑洞整体的物理属性了。在中心，全部物质被极为紧密地挤压成为一个体积为零的几何点，任何强大的力量都不可能把它们分开，在这种情形下，无法谈论黑洞的哪一部份物质，黑洞是一个统一体！

然而，惊奇还没有结束。在黑洞里，时空竟然颠倒了！我们知道，在黑洞外部区域，物体在三维空间中任何方向上的运动都是可能的，无论前进或后退、向左或向右、朝上或朝下，都没有任何问题；但是，时间只朝一个方向流动，即从过去到将来，这是一个“指向”坐标(即“确定方向”)，事物的因果关系都是由时间流动来确定的。而在黑洞里，角色颠倒过来了，空间变得不可逆转，所有的物质在空间上都指向一个目标——黑洞中心的奇点，就像黑洞外所有事件都必然朝向未来一样。而时间在这里变成了一段空间距离，最后，在黑洞的奇点处，时空融为了一体！

这就是黑洞！世上最奇异的事物！现在，我们来看看奇点——我们这个宇宙中最极端、最不可能的事物是怎么成为现实世界中成员的。

奇点：通向新宇宙的出口？

所有穿过视界进入黑洞的物质都不可避免地向黑洞中心坠落、坠落！最后，黑洞里所有物质都集中到奇点上——那个黑洞中心微小的几何点。在奇点处，引力，潮汐力、物质的密度等都是无穷大，时空无限弯曲直至最终消失。奇点是时空的边缘，是时空的终结点，像一张纸的边缘一样。不同的是，纸上的蚂蚁可以爬到边缘，然后退回来，但任何东西都不可能离开奇点，不管是宇航员、粒子、波，还是别的什么，只要碰到奇点，都会在瞬间毁灭。

其实，数学家经常遇到奇点的问题。举个例子来说，设一个分母为X的分数，当X等于零时，以零为分母的分数就会形成一个奇点，整个分数变成无限大。但是没有什么人真的费神去理他，这只是一种抽象的数学游戏。

当物理上碰到无限的时候，情况就不一样了。奇点，这个一切都趋于无限的区域，连时空都趋于无限弯曲，广义相对论方程已无法处理这种趋于无限的东西，就像分母为零的分数在数学上无法处理一样。因此广义相对论定律彻底失效。但奇点上所发生的事仍然需要解释，这时就必须应用现代物理学中的量子理论了。

量子理论告诉我们，奇点实际上是粒子被无穷大引力压碎后暴露出来的微小时空结构，这样超微的时空极不稳定，忽而张开、忽而破灭，就像一团团随机涨落的泡沫，被称为“量子泡沫”。量子泡沫没有任何确定的形状，其所有的行为也都是不确定的，其运动规律只适用于量子力学中的随机概率原理。

微小时空没有稳定结构的原因在于，这个时空已经变成多维空间。从这里我们可以看出，平常的四维时空被强大的引力不断压缩，最终会被挤成多维空间，就像一张光滑的白纸被用力揉搓后变得皱巴巴一样。这样挤成一团的多维空间是不可能稳定的。就像挤在一起的人群容易产生骚动一样，而且这样的骚动是无法预测的。一会儿这里骚动，然后平息下去；一会儿那里骚动，然后平息下去。

进一步思考下去，多维空间新的奇异性质就出现了！仍以拥挤的人群做类比，拥挤的人群时时发生小小骚动，但突然之间，一次小小的骚动引发出巨大的震动，整个人群都炸窝了，狭小的空间被强大的力量冲开，什么围墙、栏杆……都被挤垮，直到人群散开到更广阔的空间中去，骚动才会逐渐平息下来。

另外，自然界中洪水的例子也与此相类似，当洪水被禁锢在堤内时，它不断冲决堤岸，只有堤岸被冲垮，咆哮的洪水找到了更广阔的空间，才会平息下来。

奇点处的状态也是如此。引力无穷大、能量和密度都无穷高的奇点不断张开、破灭，然后可能在突然之间发散开来，形成新的、广阔的低维度时空结构。这时，一个崭新的宇宙诞生了！就像150亿年前产生我们的宇宙的奇点那样。

当然，黑洞奇点并不是必然会产生新宇宙的，也许，它永远不会发生；也许，它经常发生——这是个量子概率问题，所有的可能性都会发生。事实上，很多的量子泡沫都转瞬破灭了，能够最终膨胀成新宇宙的量子泡沫很少很少。

如果黑洞的奇点真能产生一个与我们的宇宙相对称的新宇宙，那么，黑洞就是我们宇宙的出口，另一个宇宙的入口。可以设想这样的过程：我们的宇宙中任何物

质(包括人和光)在黑洞视界被一种无可抗拒的力拉向黑洞中心——奇点，同时光被加速，时间在向过去流逝……最后到达奇点，时间不复存在，或说停止了……继而我们穿过奇点，到达另一个宇宙！这时黑洞就神奇地转化为虫洞！

这个新的对称宇宙也许与我们的宇宙的性质截然不同：在我们宇宙中光速最快，而在对称宇宙中光速最小，它是那个世界中万物速度的最低限度。揭示对称宇宙的时空特性，是困难的也是令人神往的。

能不能找到赤裸的黑洞？

黑洞视界就像一件永远也不会脱下的衣服，把黑洞包裹得密密实实，让我们永远不能看到黑洞内部的奇点。假如我们总在视界外面，就没有办法探索奇点；假如我们穿过一个巨大的黑洞的视界，活着面对量子引力奇点，我们也没有办法把看到的情况传回地球，我们的信息逃不出黑洞：视界把它遮住了。因此，奇点的很多奇异性质我们只能靠理论推测。如果有一天我们能找到一个没有视界包裹的、赤裸的黑洞，我们就可以直接观测到奇点了，那该有多好啊！美国著名物理学家惠勒在上世纪50年代末有一个梦想：人类有一天能走进奇点去看量子引力如何发生作用——这样，我们不仅能靠数学和计算机模拟来研究它，还可以凭借真实的物理观测和实验。

上世纪60年代后期，英国著名物理学家彭罗斯从数学上费了很大气力去寻找产生裸奇点的可能性，但什么也没找到。在他的方程里，每当坍缩产生奇点，它总会产生包围奇点的黑洞。确实，假如真会形成裸奇点，那么似乎可以合理地预料，在奇点形成前，光能从附近逃逸；如果光能逃，那么(似乎)产生奇点的坍缩物质也能逃；如果坍缩物质能逃，那么大概物质内部的巨大压力会让它逃，从而坍缩逆转了，奇点也就不能在原来的地方形成了。因此，彭罗斯强烈感到，裸奇点不可能形成，但他证明不了。

1969年，彭罗斯提出了一个猜想，即宇宙监督猜想：没有坍缩物体能形成裸奇点；如果奇点形成了，它必然套在视界里，我们不能从外面的宇宙看见它。不过，直到今天，宇宙监督还没得到证明，我们能否在宇宙中找到裸奇点还是个谜。

随着科学发展的进程，人类已揭示了许多宇宙的秘密。但是对于黑洞之谜我们仍不能找到全部答案，只有一件事是肯定的：许多问题的答案仍藏在黑洞的深处。

[资料]引力红移

1842年，奥地利物理学家多普勒发现，声源由远而近或由近而远会导致声波的频率变高或变低，他还认为，运动着的光源也会产生这种效应，对于观测者来说，逐渐接近的光源颜色会向紫端偏移，远离而去的光源会向红端偏移，这就是著名的“多普勒效应”。

运动天体光源的变化可以通过天体光谱谱线位置的微小移动表现出来。只要用精密仪器测出谱线的位移量，就可以了解天体相对于我们运动的情况。

由于天体的运动使谱线产生位移，这只是外部因素，20世纪以来，天体物理学的深入发展在谱线位移的物理因素方面也有了不断的发现。“引力红移”是其中之一。爱因斯坦广义相对论曾预言，从大质量和高密度的星体表面发出的光，在我们地球上的观测者看来应该向光谱的红端移动，星体的质量和密度越大，星体表面的引力场越强，这种现象就越显著。这就是所谓“引力红移”。