2020年的諾貝爾物理學(xué)獎已經(jīng)在十月六日揭曉，今年的諾貝爾獎并沒有如普遍預(yù)測的一樣頒給粒子物理或者凝聚態(tài)物理，而是頒給了對于宇宙中最“黑暗”的天體——黑洞的研究。羅杰·彭羅斯，賴因哈德·根策爾，安德烈婭·蓋茲分享了這個(gè)獎項(xiàng)。

黑洞是宇宙中最神奇也是最神秘的天體之一，人類對于黑洞的研究可以追溯到104年前，一位名叫施瓦西的的天文學(xué)家在計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)愛因斯坦的廣義相對論場方程的解，這個(gè)解表明，如果一個(gè)靜態(tài)球?qū)ΨQ星體的半徑小于某一個(gè)特定值(史瓦西半徑)，這個(gè)星體就會存在一個(gè)邊界，只要進(jìn)入了這個(gè)邊界，即使是光都無法逃出。美國物理學(xué)家約翰惠勒給這種不可思議的星體起了個(gè)名字——黑洞。

史瓦西

史瓦西半徑表達(dá)式

雖然黑洞的概念在100多年前已經(jīng)被提出，但是我們直到2019年才首次通過事件視界望遠(yuǎn)鏡一睹黑洞的真容。

人類歷史上第一張黑洞照片

今天我們就來跟大家一起聊聊關(guān)于黑洞，你一定要知道的知識。

黑洞的誕生

恒星是宇宙中的巨人，他們產(chǎn)生著巨大的引力，這種引力不僅影響著圍繞它運(yùn)動的行星，同樣影響著恒星自身，在引力的作用下，恒星具有坍縮的趨勢，不過恒星的內(nèi)核不停進(jìn)行的高強(qiáng)度核反應(yīng)，核反應(yīng)提供的輻射壓和恒星自身的引力相互對抗，形成了一種平衡，不過這種平衡在恒星暮年開始被逐漸打破。在恒星暮年的時(shí)候，恒星內(nèi)核的核燃料消耗殆盡，核反應(yīng)不再能提供可以與引力對抗的輻射壓，恒星就開始瘋狂的坍縮，但是此時(shí)恒星距離黑洞還有一定的距離，想要變?yōu)楹诙?，恒星還必須克服兩大障礙——電子簡并壓與中子簡并壓。

在微觀世界，像電子中子這樣的費(fèi)米子都具有一定的自閉癥，它們不愿意跟別的同種費(fèi)米子共享同一個(gè)狀態(tài)。如果兩個(gè)電子空間距離很近，那他們速度差距就會很大，以保證它們不會在相近的距離內(nèi)相處太久，如果兩個(gè)電子速度很接近，那他們空間距離就應(yīng)該相距很遠(yuǎn)，以保證它們不會碰到彼此，這就提供了一種同種費(fèi)米子之間的相互排斥。這種特性是由物理學(xué)家泡利發(fā)現(xiàn)的，又稱為泡利不相容原理。

這種同種費(fèi)米子之間相互嫌棄導(dǎo)致的簡并壓是恒星變?yōu)楹诙辞白詈蟮淖璧K，對于質(zhì)量小于錢德拉賽卡極限(1.44倍太陽質(zhì)量)的恒星來說，電子簡并壓是扛得住的。

對于質(zhì)量小于奧本海默極限(約為2-3倍太陽質(zhì)量)的恒星來說，中子簡并壓是可以頂?shù)米〉摹?/p>

但是對于質(zhì)量更大的恒星來說，電子簡并壓和中子簡并壓也無能為力了，在一場明亮華麗的超新星大爆發(fā)之后，黑洞誕生了。

黑洞會死亡嗎？

黑洞的誕生標(biāo)志著大質(zhì)量恒星的死亡，但是黑洞是不是也會死亡呢？實(shí)際上確實(shí)很有可能，而黑洞的直接死因可能就是——霍金輻射。

在介紹霍金輻射之前，我們需要先聊一聊量子場論中的真空的概念。大家或許經(jīng)常聽到一個(gè)說法叫真空不空，看似一無所有的真空實(shí)際上充斥著各種各樣粒子的場，電子場，夸克場，希格斯玻色子場……，而基本粒子們則是各自的場所對應(yīng)的激發(fā)態(tài)，正粒子對應(yīng)正的頻率，反粒子對應(yīng)負(fù)的頻率。在真空中，所有場都處在最低的能量狀態(tài)，但是由時(shí)間能量不確定關(guān)系，在極短的時(shí)間內(nèi)，場可能因?yàn)槟芰繚q落而激發(fā)產(chǎn)生虛粒子，這種漲落通常是正負(fù)頻率同時(shí)發(fā)生的，對應(yīng)于一對兒正反粒子的產(chǎn)生。不過不用擔(dān)心，這種方式產(chǎn)生的正反虛粒子對很快就會湮滅將能量重新還給真空，除非，這個(gè)過程發(fā)生在黑洞的視界附近。

在之前我們提到，黑洞存在一個(gè)邊界，一旦進(jìn)入這個(gè)邊界，即使是光也無法逃脫，這個(gè)邊界被稱為黑洞的事件視界，假如有一對兒正反虛粒子在黑洞的事件視界邊緣產(chǎn)生，一個(gè)粒子在黑洞的視界內(nèi)，一個(gè)粒子在黑洞的視界外，視界內(nèi)的粒子由于黑洞強(qiáng)大的引力而被拉進(jìn)黑洞，由于動量守恒定律，視界外的粒子則會朝著相反的地方飛去，從外界看起來，就像黑洞向外發(fā)出了輻射，這種輻射就是霍金輻射，但是正反虛粒子對本來應(yīng)該湮滅將能量歸還，可現(xiàn)在一個(gè)粒子帶著能量自己飛走了，這份從真空中“借“出的能量總得有人去還，而這個(gè)將能量還給真空的角色只能由黑洞來扮演了。因此霍金輻射將會使黑洞損失能量，視界面積減小，最終黑洞將為自己的貪吃付出代價(jià)，徹底消失。

霍金輻射有個(gè)非常有趣的特點(diǎn)，那就是越小的黑洞，霍金輻射越劇烈，相應(yīng)的黑洞的壽命越短，越大的黑洞反而霍金輻射越弱，黑洞的壽命越長。譬如一個(gè)幾倍太陽質(zhì)量的黑洞其溫度只有10-8K，而其壽命則比宇宙年齡還大1058倍。如果想在今天的宇宙中探測到霍金輻射，那么我們需要一個(gè)質(zhì)量小于1012千克的黑洞。因此，霍金輻射這個(gè)想法雖然非常有趣，但是至今未能得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。所以即使霍金依然在世，恐怕也很難憑借霍金輻射獲得今年的諾貝爾物理學(xué)獎。

如何制造一個(gè)黑洞？

黑洞誕生于恒星的死亡，但是難道只有恒星才能形成黑洞嗎？理論上說，確實(shí)不僅僅只有恒星才可以，雖然在介紹黑洞誕生的時(shí)候我們是用恒星的質(zhì)量作為判斷依據(jù)，只有質(zhì)量大于奧本海默極限的恒星才能變成黑洞，但是實(shí)際上是否可以變成黑洞的判定依據(jù)應(yīng)該是密度，也就是能否把足夠大的質(zhì)量壓縮進(jìn)足夠小的空間。

要壓縮進(jìn)多么小的空間，這就需要求助于我們之前提到的史瓦西半徑了。

對于每一個(gè)有質(zhì)量的物體，都有自己對應(yīng)的史瓦西半徑，任何物體只要能保證在不損失質(zhì)量的情況下將自身壓縮進(jìn)史瓦西半徑以內(nèi)，就可以變?yōu)橐粋€(gè)黑洞。下面我們就來看看一些常見物體的史瓦西半徑都是多少。

首先看看我們的太陽，太陽質(zhì)量大約為2.0x1030千克，對應(yīng)的施瓦西半徑約為3千米，也就是如果我們能把太陽壓縮成一個(gè)半徑3千米的球，那么太陽也可以變成一個(gè)黑洞，也就相當(dāng)于把太陽半徑縮小二十多萬倍……，我就那么一說。

然后再來看看我們的地球，地球質(zhì)量大概是6x1024千克，對應(yīng)的史瓦西半徑約為1厘米，大概是我們的指甲蓋大小。這類小黑洞無法通過恒星坍縮形成，但在宇宙早期可以由物質(zhì)的密度漲落產(chǎn)生。根據(jù)早期宇宙理論模型，這些黑洞的質(zhì)量能夠低至1克。宇宙早期產(chǎn)生的原初黑洞有可能作為冷暗物質(zhì)的一部分，在宇宙演化中發(fā)揮重要作用。

最后，我們說說在地球上產(chǎn)生黑洞的可能性。在大型強(qiáng)子對撞機(jī)建造初期，有反對聲音提出粒子對撞將較高的能量在短時(shí)間內(nèi)聚集在較小的區(qū)域，有可能產(chǎn)生黑洞并吞噬地球，這些質(zhì)疑一度引起媒體和公眾的關(guān)注。不過由于引力相互作用很弱，大型強(qiáng)子對撞機(jī)聚集的能量并不足以產(chǎn)生黑洞，除非牛頓引力常數(shù)比已知數(shù)值大1030倍。另一方面，高能宇宙射線一直在以更高的能量不停轟擊著大氣和月球，而我們迄今也沒有看到黑洞的效應(yīng)，這也間接說明即使對撞機(jī)能夠產(chǎn)生黑洞，其效率也是可以忽略的。不過這還真有點(diǎn)小遺憾，如果真能在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造出黑洞來，我們對這個(gè)神秘的家伙一定能有更多了解。

掉入黑洞會怎么樣？

不知道大家有沒有想象過，如果你掉進(jìn)黑洞里會怎么樣。其實(shí)想要掉進(jìn)黑洞并沒有那么容易，首先黑洞只有在事件視界范圍以內(nèi)的時(shí)候，引力才能強(qiáng)大到光都無法逃離，距離黑洞越遠(yuǎn)，受到的影響越小。舉個(gè)簡單的例子，假如太陽變成了黑洞，地球會被吸到太陽黑洞里嗎？完全不可能，太陽形成的黑洞事件視界半徑只有3千米左右，即使是離太陽最近的水星都不會被吸進(jìn)去，而且由于太陽質(zhì)量未發(fā)生變化，圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的行星們甚至軌道都不會發(fā)生什么變化，唯一的變化大概就是，我們會被凍死。

現(xiàn)在讓我們重新回到進(jìn)入黑洞的問題，如果你想要進(jìn)入黑洞，我強(qiáng)烈建議你一定要找個(gè)朋友陪你一起去，你的朋友在外面看著你進(jìn)入的全過程，如果你有幸從黑洞里出來，你們討論起這個(gè)事情，你會聽到一個(gè)完全不同的故事。

要進(jìn)入黑洞的第一步就是選擇正確的黑洞，對于小質(zhì)量的黑洞，你大概率無法撐到進(jìn)入事件視界就會被撕成碎片，因?yàn)橐﹄S距離成反比，距離黑洞越近，感受到的引力越大，你大概會被拉長成一根意大利面，然后被潮汐力撕碎。

好在對于大質(zhì)量黑洞，潮汐力沒有小質(zhì)量黑洞那么大，所以，你應(yīng)該選擇大質(zhì)量黑洞。在飛向黑洞事件視界的過程中，還要盡量遠(yuǎn)離黑洞的吸積盤。第一張黑洞照片里的光亮區(qū)域就來自于黑洞吸積物質(zhì)發(fā)出的光。由于引力隨距離變化的原因，吸積盤中靠近黑洞的部分旋轉(zhuǎn)速度較快，遠(yuǎn)離黑洞的部分旋轉(zhuǎn)速度較慢，這種速度差會導(dǎo)致層與層之間劇烈的摩擦，產(chǎn)生大量的熱量，這也是為什么我們能看到黑洞的吸積盤，如果你離吸積盤太近了，你可能會被烤熟。

我們假設(shè)你成功到達(dá)事件視界的邊界上了，這時(shí)我們先把鏡頭切到看著你進(jìn)入黑洞的那個(gè)朋友的視角。隨著接近黑洞的事件視界，你落入更深的引力勢阱中，由于引力紅移效應(yīng)，他會看到你逐漸變紅，動作也越來越緩慢。最后他會看到你定格在事件視界的邊緣，逐漸變紅，變暗，消失，你落入視界后發(fā)出的信號則被囚禁在視界背后。

現(xiàn)在我們再切換回進(jìn)入黑洞的你，在你靠近事件視界的時(shí)候應(yīng)該回頭看看你面前的宇宙，雖然根據(jù)相對論，黑洞周圍的時(shí)間流逝變得緩慢，但是你并不會感覺自己的時(shí)間流逝緩慢，而是會感覺遠(yuǎn)離黑洞的世界的時(shí)間流逝在加快，世界對于你來說仿佛按下了快進(jìn)鍵，你仿佛可以看到未來一樣，這么一想還是挺浪漫的，所以千萬不要錯(cuò)過這一幕。

最后你進(jìn)入了事件視界，這時(shí)你也沒有了反悔的可能性，擺在你眼前的只有一條路，一條指向黑洞中心奇點(diǎn)的不歸路，在你離奇點(diǎn)足夠近的時(shí)候，你將被極其強(qiáng)大的引力梯度撕碎。羅杰彭羅斯今年獲獎的一個(gè)重要原因就是在一般條件下證明了黑洞的形成和奇點(diǎn)的存在。不過，廣義相對論并不能描述奇點(diǎn)，事件視界內(nèi)的物理規(guī)律也有可能與我們所知相差甚遠(yuǎn)。就像《星際穿越》中的庫玻一樣，也許你會在落入黑洞后洞悉量子引力的奧秘并將它最終帶出來，誰知道呢。

這就是宇宙中最神秘天體的一些小知識，它誕生于恒星的毀滅，最終也可能死于自己的“貪婪“。

后記

本文對于霍金輻射的介紹并不嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)際上正反虛粒子對在事件視界邊緣產(chǎn)生，其中一個(gè)被黑洞吸入，另一個(gè)被發(fā)射的說法雖然有一些道理，但是跟更精確的表示***有一些差距，首先霍金輻射并不是來自于固定的點(diǎn)，而是看起來來自整個(gè)黑洞，其次如果你進(jìn)入黑洞內(nèi)部，你是看不到被黑洞吸入的那些粒子的。

圖片均來自于網(wǎng)絡(luò)

來源：中科院高能所

原標(biāo)題：關(guān)于黑洞，你一定要知道的知識！

編輯：dogcraft