永恒的黑暗

編譯 夏冰

在 《黑洞生存指南》 （BlackHoleSurvivalGude） 一書中，天體物理學家揚娜·萊文 （Janna Levin） 把黑洞用作思想實驗的 “幻想舞臺”，鼓勵讀者從內心想象遭遇黑洞時的體驗，讓大眾更好地理解有關黑洞的知識。

黑洞幾十年來一直未經證實，20世紀的一些偉大天才認為其荒謬、有害、無法接受，直到發現黑洞真實存在于星系的物理證據。

發現了一個黑洞距地球僅幾千光年遠。向左走，向那顆黃色的恒星走去，向星團走去。在星空背景下漫步，我們既在群星之下也在群星之上。天上星羅棋布，就像虛空中綴著點點星光；而藏在永恒黑暗中的黑洞散落在星星之間。我們在銀河系中心的黑洞的軌道上，被牽引著向仙女座星云中心的黑洞移動……

我希望通過這本書讓你更了解黑洞，剔除華而不實的外殼，更接近黑洞的最黑暗本質，驚嘆于黑洞的奇異和獨特。我們將會踏上一條少有人走過的路，通過一系列簡單的觀測，最終發現：我們關注的黑洞根本不是什么物體，至少不是傳統意義上的物體……

失重和自由下落

很多人都對黑洞存在誤解，將它們描述成“有害”的龐然大物。這種評價并不公允。實際上，大部分黑洞都非常“有益”，而且本質上非常小。在你開始黑洞之旅前，應該做好準備工作，充分考慮可能出現的危險。公正地說，如果你不謹慎行事，仍可能會陷入難以預料的危險。即便是在地球上，也還有不少未被人類征服的自然之地；要完成黑洞之旅，必須懷著一顆敬畏之心。畢竟，你將成為它們領地的入侵者。

黑洞是時空扭曲、怪異和極端變形以及極度不穩定的意外產物。坦率地說，科學家現在已經沒那么討厭它們。黑洞在物理上和理論上都是大自然饋贈給人類的禮物。在可觀測宇宙的最遠處可探測到黑洞；它們錨定星系，為我們銀河系風車和其他可能的星系提供了中心。理論上，黑洞為探索思維最遠處提供了實驗室。黑洞是進行思想實驗的理想夢幻舞臺，目標是探索宇宙的核心真理。

在尋找黑洞的時候，你并不是在找某種物理實體。黑洞可以偽裝成某種物體，但它本質上是地點——時間和空間的地點。更好的描述是：黑洞就是時空。

想象一個空曠的宇宙。你從來沒有見過或經歷過的原始地方，巨大虛無、處處相同——巨大和光禿；仍然是三維的，但處處平坦。

這就是說，空曠的宇宙其實是平坦空間。當你身處平坦空間時，就會沿著直線浮動。雖然此時你并不是通常意義上的墜落，但我們還是把這種自由運動叫作自由下落。只要沒有啟動火箭、沒有推力和拉力，從本質上說，對你產生作用的只有引力，你就會處于“下落”狀態。如果自由運動的軌跡只是直線，且平行的直線永遠不會相交，那么這種空間的幾何結構就是平坦的。

不過，你現在處于自由下落狀態的可能性非常低，你現在身處平坦空間的可能性也非常低，因為我們的星系中不存在這樣的地方。坐在椅子上你就不可能自由下落，椅子會托住你防止你下落。站在地板上你就不可能自由下落，地板會托住你的腳，防止你墜落到地面。躺在床上我們會覺得自己很重，我們認為地球引力在往下拉我們。其實我們搞錯了，完全錯了。我們感受到的并不是地球的引力，而是床墊的原子推著我們自身的原子。只要抽掉床墊或抽掉各個樓層的地板，你就會下落，而下落正是最純粹的連續引力體驗。只有在對抗引力的過程中，你才會感受到引力的拉拽、慣性、阻礙和沉重。一旦向引力屈服，所有力的感覺都會消失。

體現自由下落概念的經典場景是電梯。你搭乘高層公寓電梯的時候，會感到有個力托著你的腳。這個力作用于腳和電梯地板之間，正是它讓你停留在電梯內。這是物質之間的作用力。如果你對純引力（沒有物質間相互作用的干擾）感興趣，就必須通過某種方式脫離電梯。你請人把電梯的纜繩鋸斷，你就會和電梯一起下落。在下降過程中，由于你和電梯地板以相同速度下落，你相當于是“漂浮”在電梯中。你不會落到地板上，因為地板也在下落。你可以借著推墻壁產生的力在空中翻滾。這個時候，你似乎感受不到自己的重量，就像空間站的宇航員一樣。你也可以像宇航員那樣把水壺中的水倒出來，然后喝到懸浮在空氣中的水滴。你也可以松開握著的筆、手機、石頭，讓它們也漂浮起來。愛因斯坦稱這一簡潔又深刻的思想實驗——我們在下落時體驗失重的感覺——是他人生中最快樂的思想之旅。

等到你身上的原子與地球表面的原子發生相互作用時，這段自由下落的快樂之旅就以一種你絕對不開心的方式告終了——你會重重地摔到地面上。不過，這并不是引力的錯。你可能會摔得粉身碎骨，但罪魁禍首是其他的一些力，比如原子間的作用力，而非引力。（如果你是由暗物質構成，那就可以直接穿過地殼，一路下落。）

這個電梯思想實驗持續的時間不會太長，因為地球有自己的運行方式。因此，不去想象自己漂浮在離地球、離銀河系很遠很遠的宇宙空間中；而去想象一個虛構的空曠空間，里面除了你和你穿的宇航服，什么都沒有。這個時候，你發出照明彈照亮周圍的空間，并且往三個方向上投擲物品，結果會發現它們都在自由下落。現在，再想象每個投擲物都留下了一條顯示自己運動路徑的軌跡。很快，你就會看到它們畫出了一個直線。這個時候，你就會清楚看到空間是平坦的——自由下落的物體沿直線運動——并且，這個空間中除了你、你的宇航服、你發射的照明彈以及繪制出直線的發光軌跡外，空無一物。在這個場景中，引力的作用如此微不足道，上述所有物體都根本無法對平坦空間產生明顯的影響。

不過，實際情況是宇宙并非空無一物。我們都很清楚自己受到地球的束縛，而地球受到太陽的束縛，太陽受到銀河系的束縛，銀河系受到附近仙女座星系的束縛。此外，這兩個星系都坐落于室女座超星系團中，而室女座超星系團則受到可觀測宇宙中所有其他星系和所有其他能量的影響。因此，我們絕不是生活在一個平坦的廣漠時空中。

宇航員也并非飄蕩在空無一物的空間中，他們可以看到地球在自轉，看到太陽的劇烈活動。雖然宇航員確實在下落并且經歷失重狀態，但我們更習慣把他們的下落路徑稱為軌道：宇航員沿以地球為核心的軌道下落，地球沿以太陽為核心的軌道運動，而太陽則沿以銀河系中心為核心的超長軌道運動。所有這些路徑都不是直線。宇航員的運動路徑是以地球為中心的圓圈，地球的運動路徑則是以太陽為中心的圓圈，太陽的運動路徑則是圍繞著銀河系中心的圓圈。這是因為星空并非空無一物，而非空空間的自由下落路徑會發生彎曲——物質和能量的存在會彎曲空間。

彎曲空間

我們生活在彎曲空間中，而非平坦空間。這不難證明，只需要在你躺在沙發上時，往遠處扔個東西，然后觀察它的運動軌跡。你扔出去的這件東西絕對不會沿直線運動，它的運動路徑會在空間彎曲，畫出一道弧線。無論我們扔什么，它們都會沿著向地球彎曲的路徑運動。你可以做一場環球旅行，躺在各個國家的沙發上，往遠處扔東西。它們都會畫出一道弧線，最后落在地面上。同時，我們可以記錄下每次扔東西的結果，并且繪制出一張由各條彎曲路徑構成的三維網絡，這樣其實也就構建出一張能夠體現地表附近空間形狀的地圖。以這些結果為基礎，我們可以得到結論：地球改變了空間的形狀。此外，我們還可以通過物體的自由下落路徑繪制這種形狀。

自由下落取決于你在地球上拋出東西時的速度。直接把扳手摔下去，它會沿直線掉到地上。如果站在房間的一側往另一側扔扳手，那么它就會沿著弧線下落。只要扔出時的速度和方向不變，那么即便你扔的是一輛汽車，它也會沿相同的弧線下落。扔出扳手時的速度越快，它畫出的弧線就越長，快到一定程度，這條弧線就不會落到地面上，而是形成以地球為中心的軌道。要是扔出扳手時的速度更快一點，它就會永遠離開地球并一直向外飄去，直到被另一個天體（比如木星或太陽）的彎曲空間俘獲，并且沿一條與地球上的情況完全不同的路徑跌落。

八大行星其實也是在繞著太陽自由“下落”，沒有任何發動機之類的東西給它們提供外部作用力。它們的運動軌跡呈橢圓形，而且會通過自己的引力清除自身軌道附近的“障礙”。地球繞著太陽自由“下落”，而月亮則繞著地球自由“下落”。

我們把很多人造物體都送到了地球軌道上，那些軌道其實就是人造物體繞著地球自由下落的運動路徑。宇宙飛船發射升空后，一旦抵達預定位置，就會關掉發動機，在太陽或者地球（這種情況更常見）等天體軌道上永遠保持自由下落狀態。部分空間任務專家反對在航天器中加入自主推進裝置，這樣在資金緊張的情況下，航天機構就不會通過人工手段將航天器推出軌道，使其在目標大氣層中墜毀。這樣，廢棄衛星仍舊會在宇宙空間游蕩，成為太陽系永遠無法擺脫的幽靈垃圾。

國際空間站也繞著地球自由下落。宇航員就像我們之前想象的電梯乘客一樣漂浮在空間站中。這并不是因為他們沒有受到地球引力的影響，他們肯定會。空間站距地面不過幾百千米高，遠遠沒到能夠擺脫地球引力影響的程度。這種效應的體現就是地球周圍的空間彎曲成曲線，而國際空間站正是沿其中一條運動——一條能夠讓其保持自由下落狀態的圓形軌道。國際空間站和宇航員一起每90分鐘繞地球一圈，速度接近28 000千米/時。他們一會兒走出日照區，步入地球陰影中；一會兒又回到日照區，接受陽光的照耀，如此反復。他們的運動速度快到足夠在自由下落時與地球大氣保持距離，因而永遠不會墜落到地面上。

通過愛因斯坦一生中最快樂的思想實驗（空間失重、自由下落），我們借助一些最為常見的事實（躺在沙發上扔東西的各種結果）就能推斷出宇宙空間中的自由下落路徑是曲線。而引力其實就是彎曲的時空，這正是愛因斯坦最偉大的洞見。

愛因斯坦毫不掩飾他對簡潔性的熱愛，表現為其天真、樸素、奇妙的思想實驗。他知道自己并不理解學校對引力的標準解釋，地球根本沒有接觸月亮，怎么能拉拽后者呢？其實，不光愛因斯坦無法理解引力，其他人也同樣無法理解，但那個時代的其他科學家根本沒有認真思考自由下落的問題，也沒有詳細研究這個現象的本質。然而，正因為不理解引力并且坦誠承認這個事實，愛因斯坦才對實在的最為接受和最基本的方面提出挑戰。

在愛因斯坦之前，大家都習慣認為，引力是一個物體作用在另一個物體上的力。但是，這種力的神秘之處在于：它不需要物體實際接觸。在愛因斯坦之后，大家的觀點發生了變化。引力被看作彎曲的時空。地球根本沒有接觸月亮，怎么能拉拽后者呢？答案是，地球根本沒有拉拽月亮，地球沒有向月亮施加任何力。相反，地球只是彎曲了空間，而月亮正是在這種彎曲空間中自由移動。

黑洞就是一種空間

在離黑洞很遠的地方，空間的曲線和圍繞太陽、地球、月亮的曲線相同。如果明天我們的太陽突然變成了黑洞，地球圍繞太陽運動的軌道不會發生任何改變。我們圍繞“黑洞太陽”自由下落的彎曲路徑和繞真實太陽的路徑幾乎一模一樣。當然，如果真的出現這種情況，等待我們的將是永恒的黃昏、末日的黑暗和寒冷，但我們的軌道不會有什么變化。

地球與太陽之間的平均距離約為1.5億千米，而太陽本身的直徑約為140萬千米。相較之下，和太陽質量相當的黑洞直徑只有6千米。雖然在大家的印象中，黑洞是吞噬一切的大惡魔；但其實，黑洞的“作惡”范圍要比太陽小得多。只有當你到過距黑洞中心和太陽中心幾百千米處時，才能真正注意到這兩者附近空間的巨大差異。然而，你不可能不被燒毀而到達距太陽中心幾百千米處；你可以接近黑洞，保持安然無恙。

一旦進入到太陽等離子體里，太陽的引力影響就減弱。在你接近太陽中心的過程中，也把太陽的部分質量拋在了后面。因此，你離太陽中心越近，拋在后面的太陽質量就越多，太陽內部空間的彎曲就越平緩。

另一方面，無論你怎么接近黑洞，都不會把任何質量拋在后面。因此，空間的彎曲只會更加明顯。這正是黑洞的特別之處：你永遠無法把黑洞的任何質量拋在后面，黑洞的所有質量就好像永遠集中在你前面一樣。即便你無限接近黑洞中心，仍舊會感到它的所有質量都在你身前。

只要和黑洞保持安全距離，你就不可能被它撕碎或吞噬。黑洞并不是人們印象中的災難之源，至少在你莽撞闖入它的實力范圍之前不是。當然，一旦你越過了不能返回的臨界點，情況將變得非常糟糕。因此，即便你大膽接近黑洞，只要還在安全距離之外，你都可以建好空間站，關掉發動機，在只需幾小時走完一圈的穩定軌道上自由下落，欣賞黑洞附近的美景，只要能保證補給。

資料來源AmericanScientist