霍金弟子诙谐讲述,黑洞膨胀到极致会发生什么

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转自西班牙中西交流发展协会:这是一刻讲者克里斯托弗·加尔法德@一刻talks × 睡前future lab的专场演讲。剑桥大学理论物理学Ph.D,曾与霍金一同研究黑洞信息悖论,目前又致力于向公众传播现代科学知识,克里斯托弗的人生

就是一个大写的“酷”。本场,他用生动的语言带领观众到神秘的宇宙中畅游了一番。

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你好,我只会说这点中文,不好意思。非常感谢大家今天来到现场,我会谈一些关于科学的话题,并向大家介绍关于引力波的前世今生。讲到引力波之前,我想先跟大家分享两个事情,第一个是引力,第二个是黑洞。

引力是什么?我们有没有办法,对引力有一个认知呢?

大概 300 年以前,有一个人发现了太空中万有引力的定律和我们在地球上的引力定律是一样的,这个人就是牛顿。他提出了一个公式:如果你扔出一个物体,这个物体会跌落下来。根据牛顿定律,如果你知道怎么将物体扔出去,你就会知道它的飞行轨迹和落地轨迹。不管是在地球上还是在宇宙中,这种规律都是奏效的。当你拉弓射箭时,用牛顿定律就可以计算出箭到底落在哪里。无论你是捡起一块石头扔出去,还是搬起一栋房子扔出去,还是扛起一座山扔出去,虽然我们无法做到,但是可以想象一下这些行为都是受引力规律影响的。水星是距离太阳最近的行星,因此太阳对水星的引力作用比对其他行星的引力作用都大,那么牛顿定律也适用于水星吗?答案是,是的,但并不完全如此。牛顿定律在水星上,会有一点点不同,会有非常微小的变化。举例来说,你看一下自己的手表,表盘上每秒之间的那个小空隙,你把这个小空隙分成 60 个等份。60 个等份的一半,就是牛顿所说的,水星轨道受到太阳影响的那个微小的变化。

大概在牛顿定律提出后的一百八十多年间,科学家们都想找到牛顿定律在水星上受影响的原因。牛顿自己也意识到了这个问题,他发现了牛顿定律,但是牛顿定律并不能向世人说明到底是什么引力。牛顿自己也不知道什么是引力,他终其一生都在寻找答案,但直到他过世都没有找到答案,我们只能寄希望于别人,我们等这个答案等了一百八十多年,在这一百八十多年里,出现了很多关于引力的疯狂猜想。这是科学的乐趣所在,当事物的本质尚未明晰时,你可以有无数种疯狂的猜想。

在牛顿定律被提出的一百八十多年之后,出现了一个人,提出了一种疯狂的猜想。这个猜想是这样的:想象我们现在正身处宇宙空间中,周围有各种各样的天体。现在,想象你摆脱了那些天体,摆脱了所有的东西,你就处在一个周围什么都没有的空间里。

或许当你摆脱所有东西之后,仍然有一些东西存在着,那可能就是引力的来源。我们为什么不能这样想呢?让我们再回到空空如也的宇宙中,整个宇宙中只有一个太阳,想象一下太阳周围,似乎有丝丝缕缕的东西存在着。太阳会与之相互作用,作用的表现方式之一就是太阳会使这种东西弯曲,改变天体周围网络结构的形状。这种东西并不可见,因为它并非可见性物质,它是宇宙中需要我们凭借感觉去感知的一些东西。提出这个理论的人,把它叫作时空,因为它是由空间和时间组成的。根据他所提出的这个疯狂猜想,空间和时间可以被周围的物体弯曲,比如恒星、行星等,任何物体都可以让时空弯曲。他把这种现象称为引力。从他的角度来说,时间和空间围绕物体和能量所产生的畸变就是引力。提出这个疯狂想法的人就是爱因斯坦。

我刚才给大家描述的就是广义相对论,它是一个关于引力的理论,它指出在我们的宇宙中存在的每一个物体、每一个有能量的东西都会将其周围的时空弯曲,从而产生引力。

爱因斯坦在 1915 年发表了这一观点。4 年以后,在非洲的海岸出现了一次日全食。剑桥大学一个叫爱丁顿的人决定前往非洲海岸的小岛去看日食。如果爱因斯坦是正确的,那么当月亮把太阳挡住的时候,就可以看到恒星围绕在太阳周围这些遥远的恒星将偏离它本来的位置。爱丁顿亲自远征,证明了爱因斯坦的理论是正确的。光受物质的影响会弯曲,时空受到能量的影响会弯曲,引力是由时间和空间弯曲而成。这样我们就有了关于引力的理论。总结一下,这个理论表明宇宙中的每个物质其周围都有一个几何结构,而每个物质周围的时空都是弯曲变形的。

可以说爱因斯坦的理论是迄今为止最棒的理论。一方面因为,在提出这个理论之前,空间和时间是互不相关的两个概念,它们一个属于几何范畴,另一个属于能量范畴。爱因斯坦的理论认为,时空的几何学等同于时空里的能量和质量,这就形成了一个方程式。我们是否有办法找到一个遵循爱因斯坦定律的宇宙呢?我们能不能有一个解决方案,遵循宇宙法则或爱因斯坦提出的定律的时空关系,来发现宇宙的奥秘,探寻到宇宙里面的所有物质?它必须服从那个方程式,它的几何结构和其中的物质与能量要一致。这是一个复杂的方程式。爱因斯坦认为,没有人能精确解出这个方程式。1915 年他发表了这个方程式,1916 年有人算出了方程式的解。

一位叫卡尔·史瓦西的人解开了爱因斯坦方程式,他描述了宇宙中的一颗恒星,这就是他的解。爱因斯坦无法相信,他亲自试验了一下发现这个解是对的。那么一旦我们拥有了这个方程式的解,我们能做什么呢?看看从方程式中能学到什么?比方说你有一颗恒星,你稍微移动了它一下,这会带来什么呢?非常简单。如果你摇晃它一下,你就创造出了一个波,一个时空的波。这就好比把一个实心小球放在水里,水里出现了波动一样。

所以,你要将时空想象成一种液体,当这种液体里面的东西晃动的时候,时空里就出现了一波又一波的涟漪,这就是我们所说的引力波,一种时间和空间的波。

相信大家都知道,要在时空里创造一个引力波,需要巨大的能量。用手指头显然无法创造这种引力波。我用手指推动空气所产生的能量只能让我的手指微微发热,但绝不会让时空产生什么波动。怎样才能得到引力波呢?怎样才能让大家感觉得到真正的引力波呢?我们需要一种非常巨大的能量,这就让我们联想到爱因斯坦理论的极限,也就是黑洞。

我们可以从牛顿的角度来思考黑洞。从牛顿的视角来看,引力是一种力,我们知道事实不是这样,但它曾经被认为是一种力。

我们都知道,如果将一个物体扔出去的话,它的运动轨迹会怎样。现在我们知道地球的质量。在地球上,如果我想扔出一个物体,尽可能地使它进入太空,这个扔出去的速度需要达到一定的数值,大概是4万2千公里/小时,如果你能将物品以 4 万 2 千公里/小时的速度扔出去,它就会抵达太空,而且再也不会回到地球了。

设想一下,如果地球的密度是现在的两倍,那我们在万有引力的作用下,行走将会变得非常艰难。万有引力会非常强大,你必须以更快的速度来抛掷物品。以太阳为例,如果你想要让一个物体摆脱太阳,就必须以每小时 200 万公里的速度把它抛出去,如果速度不够,那它就会再次落回到太阳上。但是有些东西的移动速度,每小时不止 200 万公里,比如光。

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光以每小时10亿公里的速度传播,因此光可以离开太阳,这就是我们能看见太阳的原因。如果光速不是这么快的话,我们就看不到太阳了。

早在牛顿时代,就有一位英国科学家,米切尔提出了这一理论。如果有一种密度足够大的物体,你需要以每小时 10 亿公里以上的速度才能摆脱这个物体并进入太空,任何事物都无法做到这一点,即使是光也是没有办法逃脱的。当时人们并没有把这个称为黑洞,但这就是黑洞的概念。所以黑洞这个概念,其实早在牛顿时代就已经出现了,黑洞的密度和质量都非常大,以至于任何东西都无法从中逃脱。

巧合的是,在 1916 年第一个解出爱因斯坦方程的卡尔·史瓦西发现了一个时空方程,即宇宙黑洞。大约 20 年后,20 世纪 30 年代,有两位科学家描述了这种黑洞的产生。他们发现当一个巨大的恒星爆炸时,其内部会发生一些剧变,其中心的致密程度达到了一个临界极限,如此致密,以至于它只能自行坍缩。如果我此刻正站在一个黑洞的表面上,那我脚下的地就会下陷。我将永远无法到达地面,我的腿会比我的头下降的速度更快,我会像一根意大利面一样倒下去。

根据现有的理论,我们可以这样定义黑洞,黑洞是空洞的对立面,黑洞的密度达到了时空所能应对的极限。没有任何事物可以比黑洞的密度更高,能量更大,黑洞是真实存在的吗?答案是,黑洞确实存在。在我们的宇宙中到处都可以看到黑洞的迹象。

大家可能知道,我们都生活在星系中,它是一个由大约 3000 亿颗恒星组成的岛屿,我们的这个星系叫作银河系。但是在太空中有很多这样的星系。我们知道大约有一万亿个这样的星系,我们也知道宇宙中几乎所有星系的中心,都有一个超大质量黑洞。

我所说的超大质量黑洞,它是太阳质量的几百万倍。我们银河系中心的黑洞,大约是太阳质量的 400 万倍。我们所探测到的最大的黑洞,是太阳质量的 150 亿倍,它们像巨大的野兽一般吞噬一切,并且还在一直不断地膨胀之中。

我们对它们了解多少呢?我们知道,当有巨大的恒星爆炸时,就会产生新的黑洞。我们知道在星系的中心有超大质量黑洞,但是我们不知道,一个黑洞如何变成另一个黑洞,一个小黑洞如何发展为一个大黑洞。

有一种可能性是,黑洞是可以并合的,小黑洞会互相碰撞,形成一个大的黑洞,然后再不断地碰撞并合形成更大的黑洞。有人就开始计算这种可能性。在 20 世纪 60 年代,有一位科学家非常擅长这种计算,他发现当两个黑洞开始互相移动时,它们会越来越快地高速旋转,然后激烈地碰撞在一起。

到目前为止,这种碰撞可以说是一种最剧烈的爆炸、碰撞,或者说是一种巨大的能量释放。你会认为,它是宇宙中最强大的事物,强大到可以撼动我们的时空。黑洞并合会产生一种波来撼动我们的时空。这也是爱因斯坦在 1916 年预测到的波,那些波在时空中以光速传播到很远的地方。但我们没有办法发现这些引力波,这需要用一种特殊的探测器。我的意思是直到今天或者说这几年,我们唯一能探测到宇宙的工具是光电磁波。我们的眼睛可以察觉到紫外线、X射线,但这些都与电磁学有关。引力波不是这样的。引力波不是光,我们的眼睛无法察觉到引力波,我们的探测器也无法探测到它,我们需要一种更有力的探测器去探测时空中的波,但这意味着什么呢?如果引力波穿过了我,这意味着我的身体会膨胀变大,然后回到正常状态。我的手表也一样,随着时间的推移,当引力波穿过我的时候,时间的流动会发生变化,时间将会放缓、加速、放缓、加速,然后恢复正常。你们有没有感觉到引力波穿过了你呢?我猜你们不太可能感受得到引力波,因为它目前带来的变化太小。但是假如引力波会穿过我,那它同样也会穿过你。

几十年来,一群科学家致力于为这发现这些波研发新的探测器。2015 年 9 月 11 日,他们打开了激光干涉引力器,等待了一天、两天、三天,在第三天,世界标准时间的上午 9 点 52 分,他们监测到了引力波,也就是在他们打开探测器的三天以后,发现有引力波在穿过他们。

当时有两个激光干涉探测器同步工作,这两个探测器被称为美国的LIGO,激光干涉引力波天文台,它们都监测到了这种信号。这样,我们就知道有一个引力波穿过去了。

让我来告诉你们引力波的能量到底有多大,它相当于宇宙中所有的天体加起来所发出的能量的 50 倍,这就是黑洞相撞时产生的能量。这两个黑洞的碰撞大约发生在 10 亿年前,引力波用了很长的时间才传播到地球。这就是为什么我们能够检测到的信号是如此之弱。但如果我们跟黑洞碰撞的位置非常近的话,会发生什么呢?你的身体的变化量是13%,这可是好几厘米的改变。

你会看见,宇宙里的一切都会在引力波的作用下弯曲。在我看来,人类探测到引力波是继伽利略的实验之后最重要的实验成就之一。为什么?在引力波探测器被研发前,我们只能用光去观测星空,我们试着去了解自然、宇宙的历史、人类的起源,以及未来,但我们只能有光信号或电磁信号去做出一些解读和探测。但是现在,我们有了新的工具,如果我们足够幸运的话,我们可以用现在所拥有的两种工具监测同一个宇宙现象,一个是引力波,另一个便是能观测到光源的望远镜。

这就是 10 月 18 日周一我们宣布的新发现。我们第一次运用望远镜和引力波探测器,探测到了遥远太空中的引力波的成因,这次我们监测到了什么?不是黑洞的合并,而是双中子星的合并。如果你想对宇宙中的极端现象有一个了解,黑洞排在第一,然后就是中子星。事实上,我们是由众多原子组成,原子的内部有原子核和核外电子,原子核里面有质子和中子,中子星就是由中子构成的恒星,它的核心就是我们周围原子的核心,非常致密。双中子星的合并碰撞被发现了,它们释放了引力波,它们的能量如此之大大,同时还释放了很多光,以至于我们在寒冷的欧洲南方天文台的望远镜里能看到它们。

引力波的探测器发生了哪些变化?我来告诉你们引力波探测器的变革。第一代引力波监测器,告诉我们中等大小的黑洞的质量大约是太阳的 12 倍多,它们可以彼此合并,形成一个更大的黑洞,这太酷了。它也开辟了天文学的一个新时代,我们看到了以前所看不到的天文现象。

双中子星碰撞,释放出了组成我们人体的重金属元素,释放出存在于你的项链、戒指或者手表中的黄金,黄金是在很久以前的中子星碰撞过程中形成的。

这次双中子星的碰撞让我们看到了引力波,引力波的传播速度基本上跟光速差不多,这意味着,我们可以剔除掉关于宇宙的一些奇怪理论,比如对暗物质的一些解释等等。引力波探测器,给我们提供了一个观察宇宙的新视角。例如,几十亿年前,双黑洞的撞击,我们现在才观测到,它们离我们很远,所以我们需要很长时间才能得到信号。如果我们用之前的望远镜或者说是传统的引力波探测器,我们没办法看到 3000 年之前的事情。但是有了现在的引力波探测器,我们就有可能观测到很远之前发生的事情,因为引力波无处不及。未来的探测器肯定能让我们有这样的能力,让我们通过引力波,来看到时空的起源。

大家如果想学习物理学或者从事相关研究的话,我相信这是一个非常激动人心的时代,因为物理学这一领域会有很多新发现。

谢谢大家!

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