被黑洞吸走的東西去哪裡了呢?

白小金

我們印象中的黑洞,擁有著非常強大的引力,強大到可以把靠近它的所有物質都吸引進去,連光線也無法逃脫。在黑洞中那個奇點,是一個體積無限小,密度無限大,引力無限大,時空曲率也無限大的點。那麼,當物質通過黑洞的視界落入那個“點”後,會發生什麼呢?

關於這個問題,現在的物理學還無法給出一個確切的答案,因為在視界之後的世界中,其物理規律和我們的世界是不同的,在這裡會發生什麼事?是通往另外一個宇宙?還是一片空白歸於虛無?還是像《星際穿越》那樣跑到一個書架的背面在時間軸上跳躍?現在還沒有有人能解釋。

雖然沒有準確的答案,好在黑洞還有質量,電荷,以及角動量這三個參數供我們研究,讓我們可以依據當前現有的理論進行推測,當一個物體落入黑洞後,在跌入奇點的過程中,這個物體會因為具有體積,使得前後受到的引力大小是不同的,而且越靠近中心引力差越大,導致物體會被不斷拉長,也可以稱之為麵條化,在無限靠近奇點的時刻,物體會完全失去體積,也就是失去維度並不可逆地消失於奇點。

但在這種“只吃不吐”的狀態下,黑洞的質量只會不斷的增加,但是現代物理學告訴我們,黑洞的事件視界表面面積與它黑洞的質量是成正比的,所以隨著質量的增加視界表面面積也只能跟著增加,不能減少。但這似乎違背了熱力學第二定律,因為,當物體落入黑洞後,它們的熵就會由此消失(所有關於這個物體的信息都不在存在),那麼宇宙作為一個孤立系統,其中的熵就會減少。所以人們相信黑洞不會像貔貅那樣只吃不吐的,必然會以某種方式釋放出一些東西出來。斯蒂芬·威廉·霍金先生的成就——霍金輻射假說就是這麼來的。引用一下網上的解釋:

在黑洞外產生的虛粒子對,其中一個被吸引進去,而另一個逃逸的情況下。如果那個逃逸的粒子獲得了能量,那麼就不需要跟其相反的粒子湮滅,它可以逃逸到無限遠。外界看起來就像黑洞在發射粒子一樣。這個猜想中的輻射被稱為“霍金輻射”。由於粒子是向外帶去能量,所以它是吸收了一部分黑洞的能量,這樣黑洞的質量也會漸漸變小,消失;同時它也向外帶去信息,所以並不違反信息定律。

所以可以說黑洞並不是完全“黑”的。霍金輻射能夠讓黑洞失去質量,在黑洞演化的歷史中,當黑洞損失的質量大於它增加的質量時,那麼黑洞就會慢慢變小直到最終消失,即黑洞蒸發了。自然,落入黑洞那些物質也會隨著黑洞的蒸發而完全的消失。

黑洞蒸發的速度與它的質量成反比,也就是說,質量越大的黑洞蒸發的速度越慢,一般大質量恆星死亡產生的黑洞壽命大約為10^66年,而一些星系中心那些超大質量黑洞(100萬—100億倍太陽質量)則可以存在10^90年以上(這是個超級大的數字),真正意義上的與天地同壽。

當然,還有一些觀點認為黑洞是通往另一個世界的入口,進入黑洞後,會從“白洞”出來,到達另一個宇宙。但“白洞”目前還僅僅是一種理論模型,尚未被任何觀測所證實。所以這種假說還是在科幻電影上看看比較好。這裡就不詳細討論了。

最後囉嗦一點,關於黑洞內的引力奇點,以目前所知的物理定律是不適用的,包括那裡的時間與空間。沒人知道黑洞內部究竟發生了什麼,我們只能從外界系統的看黑洞,可以觀測的信息是黑洞吸入物質,霍金輻射,與之對應的是黑洞的質量,事件視界面積增加,減少以致最終消失。


清明的星空

理論上,黑洞不像地球和太陽這樣由原子組成的實體,也不像白矮星和中子星這樣由簡併物質組成的實體,黑洞是一種被極度彎曲的空無空間,在其中心有一個體積無限小的奇點,那裡是黑洞的質量之源。之所以會形成黑洞這樣的特殊天體,主要是因為大質量恆星的引力坍縮作用太強,在沒有核聚變產生的輻射壓支撐之後,它的重力強大到可以把原子中的亞原子粒子壓碎,從而無法維持實體物質的存在。最終,這些物質都被擠入奇點中。

根據廣義相對論的預言,黑洞內部的時間和空間座標是相反的,時間流逝的方向指向中心的奇點。這意味著任何被黑洞吸收的物體都會不可避免地到達奇點,從而使黑洞的質量增加。

由於時間膨脹效應,在黑洞強引力場周圍,物體在靠近黑洞的過程中將會出現奇特的現象。在物體下落過程中,外部觀察者會看到物體的下落的速度變得越來越慢。直到它們到達黑洞的表面,物體看起來就會靜止在那裡,然後在無限的時間之後紅移消失。不過,這種現象是參照系不同所引起的。對於物體本身,它們是實實在在地穿過黑洞表面,最終到達奇點,而不會靜止在黑洞表面。

此外,如果黑洞是質量較小的恆星級黑洞,那麼,物體將會在穿過黑洞表面之前被潮汐力撕碎成原子。而如果黑洞是質量較大的超大質量黑洞,那麼,物體可以順利穿過黑洞表面,但在靠近奇點時也會被潮汐力撕碎。但不管如何,物體都無法保持物質形態,最終的歸宿都是黑洞的奇點。


火星一號

被黑洞吸走的東西,都進入到黑洞內部的奇點了。而且,物質結構被全部撕裂,大部分的粒子物理的守恆量都被破壞了。比如,重子數在黑洞內部就不守恆。你丟一個質子進黑洞,黑洞裡不會多一個質子,而是把物質結構轉為了時空結構。而且,這些被黑洞吸收的東西,最後大部分的信息都丟失,只剩下它的質量與電荷,以及角動量這三個參數遺留下來。比如你丟一個美女進入黑洞,黑洞不會記得這個美女的相貌——所以在這個意義上,黑洞吸收物質是一個信息丟失的過程。

當然,也有一些科學家認為黑洞吸收物質的時候,信息沒有丟失,而是把信息存在黑洞的表面了——黑洞的表面有熵,也有信息。這是一個很奇特的想法,現在還不能證明這個想法到底對不對。因為我們現在還沒有能力操縱一個黑洞,對它做實驗。

黑洞在吸收物質的時候,在進入事件視界之前,還會發出引力波。所以,你提出的問題還應該考慮前期的引力波效應。




分享到:


相關文章: