編譯 夏冰

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

黑洞幾十年來一直未經(jīng)證實(shí)，20世紀(jì)的一些偉大天才認(rèn)為其荒謬、有害、無法接受，直到發(fā)現(xiàn)黑洞真實(shí)存在于星系的物理證據(jù)。

發(fā)現(xiàn)了一個黑洞距地球僅幾千光年遠(yuǎn)。向左走，向那顆黃色的恒星走去，向星團(tuán)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(diǎn)點(diǎn)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(shí)的外殼，更接近黑洞的最黑暗本質(zhì)，驚嘆于黑洞的奇異和獨(dú)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(fā)現(xiàn)：我們關(guān)注的黑洞根本不是什么物體，至少不是傳統(tǒng)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(shí)際上，大部分黑洞都非?！坝幸妗保冶举|(zhì)上非常小。在你開始黑洞之旅前，應(yīng)該做好準(zhǔn)備工作，充分考慮可能出現(xiàn)的危險。公正地說，如果你不謹(jǐn)慎行事，仍可能會陷入難以預(yù)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(lǐng)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(wěn)定的意外產(chǎn)物。坦率地說，科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)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(yuǎn)處可探測到黑洞；它們錨定星系，為我們銀河系風(fēng)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(yuǎn)處提供了實(shí)驗室。黑洞是進(jìn)行思想實(shí)驗的理想夢幻舞臺，目標(biāo)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(shí)體。黑洞可以偽裝成某種物體，但它本質(zhì)上是地點(diǎn)——時間和空間的地點(diǎn)。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(jīng)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(shí)是平坦空間。當(dāng)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(yùn)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(zhì)上說，對你產(chǎn)生作用的只有引力，你就會處于“下落”狀態(tài)。如果自由運(yùn)動的軌跡只是直線，且平行的直線永遠(yuǎn)不會相交，那么這種空間的幾何結(jié)構(gòu)就是平坦的。

不過，你現(xiàn)在處于自由下落狀態(tài)的可能性非常低，你現(xiàn)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(rèn)為地球引力在往下拉我們。其實(shí)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(xù)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(xiàn)自由下落概念的經(jīng)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(nèi)。這是物質(zhì)之間的作用力。如果你對純引力（沒有物質(zhì)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(dāng)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(chǎn)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(jī)、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(shí)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(fā)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?zhǔn)资瞧渌囊恍┝?，比如原子間的作用力，而非引力。（如果你是由暗物質(zhì)構(gòu)成，那就可以直接穿過地殼，一路下落。）

這個電梯思想實(shí)驗持續(xù)的時間不會太長，因為地球有自己的運(yùn)行方式。因此，不去想象自己漂浮在離地球、離銀河系很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的宇宙空間中；而去想象一個虛構(gòu)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(fā)出照明彈照亮周圍的空間，并且往三個方向上投擲物品，結(jié)果會發(fā)現(xiàn)它們都在自由下落。現(xiàn)在，再想象每個投擲物都留下了一條顯示自己運(yùn)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(yùn)動——并且，這個空間中除了你、你的宇航服、你發(fā)射的照明彈以及繪制出直線的發(fā)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(chǎn)生明顯的影響。

不過，實(shí)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(tuán)中，而室女座超星系團(tuán)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(zhuǎn)，看到太陽的劇烈活動。雖然宇航員確實(shí)在下落并且經(jīng)歷失重狀態(tài)，但我們更習(xí)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(yùn)動，而太陽則沿以銀河系中心為核心的超長軌道運(yùn)動。所有這些路徑都不是直線。宇航員的運(yùn)動路徑是以地球為中心的圓圈，地球的運(yùn)動路徑則是以太陽為中心的圓圈，太陽的運(yùn)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(fā)生彎曲——物質(zhì)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(fā)上時，往遠(yuǎn)處扔個東西，然后觀察它的運(yùn)動軌跡。你扔出去的這件東西絕對不會沿直線運(yùn)動，它的運(yùn)動路徑會在空間彎曲，畫出一道弧線。無論我們?nèi)邮裁?，它們都會沿著向地球彎曲的路徑運(yùn)動。你可以做一場環(huán)球旅行，躺在各個國家的沙發(fā)上，往遠(yuǎn)處扔?xùn)|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?xùn)|西的結(jié)果，并且繪制出一張由各條彎曲路徑構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)，這樣其實(shí)也就構(gòu)建出一張能夠體現(xiàn)地表附近空間形狀的地圖。以這些結(jié)果為基礎(chǔ)，我們可以得到結(jié)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(cè)往另一側(cè)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(diǎn)，它就會永遠(yuǎn)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(shí)也是在繞著太陽自由“下落”，沒有任何發(fā)動機(jī)之類的東西給它們提供外部作用力。它們的運(yùn)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(shí)就是人造物體繞著地球自由下落的運(yùn)動路徑。宇宙飛船發(fā)射升空后，一旦抵達(dá)預(yù)定位置，就會關(guān)掉發(fā)動機(jī)，在太陽或者地球（這種情況更常見）等天體軌道上永遠(yuǎn)保持自由下落狀態(tài)。部分空間任務(wù)專家反對在航天器中加入自主推進(jìn)裝置，這樣在資金緊張的情況下，航天機(jī)構(gòu)就不會通過人工手段將航天器推出軌道，使其在目標(biāo)大氣層中墜毀。這樣，廢棄衛(wèi)星仍舊會在宇宙空間游蕩，成為太陽系永遠(yuǎn)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?？臻g站距地面不過幾百千米高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒到能夠擺脫地球引力影響的程度。這種效應(yīng)的體現(xiàn)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(yùn)動——一條能夠讓其保持自由下落狀態(tài)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(qū)，步入地球陰影中；一會兒又回到日照區(qū)，接受陽光的照耀，如此反復(fù)。他們的運(yùn)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(yuǎn)不會墜落到地面上。

通過愛因斯坦一生中最快樂的思想實(shí)驗（空間失重、自由下落），我們借助一些最為常見的事實(shí)（躺在沙發(fā)上扔?xùn)|西的各種結(jié)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(shí)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(xiàn)為其天真、樸素、奇妙的思想實(shí)驗。他知道自己并不理解學(xué)校對引力的標(biāo)準(zhǔn)解釋，地球根本沒有接觸月亮，怎么能拉拽后者呢？其實(shí)，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(xué)家根本沒有認(rèn)真思考自由下落的問題，也沒有詳細(xì)研究這個現(xiàn)象的本質(zhì)。然而，正因為不理解引力并且坦誠承認(rèn)這個事實(shí)，愛因斯坦才對實(shí)在的最為接受和最基本的方面提出挑戰(zhàn)。

在愛因斯坦之前，大家都習(xí)慣認(rèn)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(shí)際接觸。在愛因斯坦之后，大家的觀點(diǎn)發(fā)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(yuǎn)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(yùn)動的軌道不會發(fā)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(shí)太陽的路徑幾乎一模一樣。當(dāng)然，如果真的出現(xiàn)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(zhì)量相當(dāng)?shù)暮诙粗睆街挥?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(shí)，黑洞的“作惡”范圍要比太陽小得多。只有當(dāng)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(dá)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(jìn)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(zhì)量拋在了后面。因此，你離太陽中心越近，拋在后面的太陽質(zhì)量就越多，太陽內(nèi)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(zhì)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(yuǎn)無法把黑洞的任何質(zhì)量拋在后面，黑洞的所有質(zhì)量就好像永遠(yuǎn)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(zhì)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(zāi)難之源，至少在你莽撞闖入它的實(shí)力范圍之前不是。當(dāng)然，一旦你越過了不能返回的臨界點(diǎn)，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(guān)掉發(fā)動機(jī)，在只需幾小時走完一圈的穩(wěn)定軌道上自由下落，欣賞黑洞附近的美景，只要能保證補(bǔ)給。

資料來源AmericanScientist