想要通过黑洞进行时空穿越,需要先了解什么?

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2020-09-22 · 发布一切与天文相关的科普信息
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  1. 黑洞会是通往其他宇宙的通道吗?

  利用黑洞来穿越空间是个有趣的故事情节,在这种时候,人们有时会谈到“虫洞”。最初,虫洞,或者说时空(spacetime)中的“捷径”,最初这一概念是作为爱因斯坦的广义相对论的一种解被提出的。不幸的是,在最初的解中,虫洞会在你试图穿过它的一瞬间解体,将你毁灭(也就是说,把你放进虫洞里会令这个解不再成立)。

  

  在上世纪八十年代中期,人们重新燃起了对基于虫洞的时空穿越理论的兴趣,这也许要归功于卡尔·萨根(Carl Sagan)的小说(《接触》(Contact),也许你们看过它改编的电影《超时空接触》?),在小说中,他根据需要创造了一个能够使人安全穿梭的虫洞。作为著名的科学家,他不满足于仅仅胡扯些无意义的专业术语,于是他联络了他的好友基普·索恩(Kip Throne)。索恩是加州理工学院的教授,也是广义相对论专家。

  

  索恩和他的同事们当时正在研究一些“有可能”允许人类安全穿梭的一些解,这些解是可以使虫洞成立的相对论方程的解。唯一的问题是,这样的虫洞必须是由一种所谓“奇异物质”的东西构成的,这种物质的总能量是负的。虽然这并不是特别天方夜谭的假设,但它也一点儿都不合乎情理!

  顺带一提,虫洞以及其它所有超光速移动都会面临同一个棘手的问题,那就是当你的速度超越光速时,你将回到过去(这是爱因斯坦的相对论的推论之一)。因此,一旦你拥有了一个虫洞,你就可以进行时间旅行,这将带来一系列恼人的悖论,其中最著名的就是“祖父悖论”。在这个悖论中,我们假设我是一位杰出的邪恶科学家,我发明了时间机器,利用它回到过去,并且在我的祖父与祖母相遇前杀死了他。

  

  如此一来,我的父亲就不会出生,于是我就不会出生,于是我也就不可能发明时间机器杀死我的祖父。但这样的话,我的祖父将不会死,他就会遇到我的祖母、让她生下我的父亲,然后再有了我,我于是又可以发明时间机器回去杀死祖父,然后……你明白这场无限循环了吧!一些人认为这样的悖论的存在,表明我们无法进行时空旅行,人类也不可能超光速移动,但这事可没有看起来这么简单。

  2. 被吸入黑洞的物体最后都怎么样了?它们会从其它地点或者其它东西里冒出来吗?还是说它们都在黑洞里毁灭了?

  有人认为,进入黑洞的物质都会被吸入位于黑洞中心的一个极小的点中,这个点就叫做“奇点”。一切物质只可能落到奇点里,因此如果你掉进黑洞,你不会像落向常规天体一样触到它的边界。一旦物质到达奇点,它们就哪也去不了了。据我们所知,任何被吸入黑洞的东西都不可能幸存。虽然人们有时会说“虫洞”是通往其它宇宙的门户,但现在看来,这样的通道应该是不存在的。

  

  3. 如果包括光线在内的一切东西都无法逃脱黑洞的束缚,而根据大统一理论(Grand Unification Theory,G.U.T.),重力又可能是电磁波的一种,那重力又是如何逃脱吞噬一切的黑洞的呢?

  (在爱因斯坦的概念中)时间与空间是一个实体的一部分,我们将其称作“时空”。质量的存在扭曲了时空,一般而言这种扭曲是微不足道的,但在黑洞或者中子星这种极端致密的天体附近,时空的扭曲格外严重,以至于能够引发各种各样的奇异现象。你可以把这类比为一个放在橡胶垫上的沉重小球,小球的重力会令橡胶垫凹陷扭曲,从这个小球旁边经过的轻质小球的滚动路线也会受到影响。最终我们观测到的结果便是:轻质小球的运动路径变弯了,而这正是我们平常对重力作用效果的理解。总之,这一问题的核心在于重力不是从黑洞中向外辐射的,它来源于黑洞在它自身“之外”的时空中引发的扭曲。(它来自于黑洞“之外”时空的整体扭曲。)

  

  如果人们未来真的能够将重力与其他基本力统一的话,那么粒子(引力子)携带重力(亦为引力)的理论该如何成立呢?没错,这些引力子也不是从黑洞中发出的。目前,人们正在钻研的理论是:黑洞的视界外存在一层“膜”,膜中含有传递引力的引力子。原则上,这将解决之前的悖论。很抱歉,我已经无法使用更简洁的方式解释这一话题了,因为目前这一问题还没得到彻底的解决。总的来说你的想法是正确的:重力无法从黑洞内部传递出来。

  4. 我一直在想一个问题,虽然我猜肯定早就有人问过您这个问题了,但我还是要问——我听说宇宙的中央可能存在一个黑洞,那个就是大爆炸的起源。您听过这一理论吗?总之,如果那个黑洞真的存在的话,那整个宇宙为什么还在膨胀,而不是被吸入中央的黑洞里呢?

  当讨论关于宇宙中心的问题时,你必须小心小心再小心,因为在人们目前的认知中,宇宙是没有中心的。宇宙中的任何一处坐标都是相等的。不过,宇宙的确有一个“开端”(大爆炸),在那一瞬间宇宙极端炽热、密度极大。事实上,在那样的温度和密度下,它被称为一个“奇点”(密度无穷大)。我们在描述黑洞中心的时候同样会使用“奇点”这个名词,也许这就是你产生联想的根源。当我们在想象宇宙膨胀时,你可以做一个这样的类比:假设你用笔在气球上画了许多点,然后你吹鼓了气球,这时你画出的每一个点都在远离其它的点,没有哪个点比其他点更靠近“膨胀中心”。当然,气球的确是有中心的,但在刚才的类比中,气球的中心对应的不是宇宙中的某个位置,它对应的是一个“时间”——宇宙初生的时刻。因此,随着时间的推移,整个宇宙一直膨胀。这个概念也许有点诡异,但你应该能想明白的!

  

  你说得没错,宇宙中的引力确实会阻碍膨胀。尽管引力试图减缓膨胀,但宇宙膨胀的初速度也有可能大得足以支持它永远膨胀下去;这还不太清楚。宇宙的结局究竟如何我们目前还不得而知。你可以把这个过程类比为你向天空中扔球。重力会使球的上升速度降低,对于普通的篮球而言,它迟早会落回地面的。但如果你拥有超人的手臂,从原理层面而言,你是有能力把球彻底扔出地球的!类似地,我们目前还无法测算宇宙究竟会在引力的作用下重新坍缩,还是会永远这样膨胀下去。

  科尔·米勒

  5. 如果我们拥有一条十光年长的绳子,黑洞要用多久才能把它完全吸收?

  这取决于黑洞的质量有多大。如果这个黑洞的质量与太阳相等,那它就要吸收很长很长时间,大约是一亿年。对于一个真正的大黑洞来说,它的质量是太阳的1亿倍(人们认为它存在于一些星系的中心),那它完全吸收这根绳子就只需要一万年。有一点需要注意:在十光年这样长的距离上,黑洞的引力和其它与之同重的天体的引力并无不同(打个比方:如果我们的太阳突然变成了一个同质量的黑洞,那地球依然会像现在一样继续绕轨道运行。唯一的不同是,没有了太阳的辐射,我们会被冻个半死!)。你所听说过的黑洞引发的奇异现象,只会在你离它们非常近时显现出来!

魔力科学
优质答主

2021-06-01 · TA获得超过4万个赞
知道小有建树答主
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据科学家观察得知,距离我们最近的黑洞大约有1000光年的距离,它至少是太阳质量的4倍,点开视频,让我们从地球朝着这个黑洞出发,看看到底会发生什么?魔力科学小实验,每天给娃科学启蒙。

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