你可曾想象过太阳消失于黑洞后的景象,或者黑洞能够吞噬掉太阳吗

有一天,爱德华先生在课堂上说,帕克博士计算出当两个奇点足够接近时,你就能安全通过。 这可能吗?

 

你的问题与虫洞有关:有没有可能存在一种时空,在这种时空中,你不仅可以穿过看起来像黑洞的喉咙,而且还可以安全地穿过它?

虫洞,或者说穿越时空的“捷径”,最初被认为是爱因斯坦广义相对论的一些方程的解。不幸的是,第一个解诀方案是这样的,如果你试图通过其中一个,它会立即崩溃和粉碎你(也就是说,你的存在会阻止虫洞解决方案的工作)。上世纪80年代中期,由于卡尔萨根写了一部小说(《联系》,也许你看过这部电影。)他需要一个可以安全旅行的虫洞。

 

你可曾想象过太阳消失于黑洞后的景象,或者黑洞能够吞噬掉太阳吗

 

考虑到自己是位著名的科学家,他不想只讨论毫无意义的技术术语,所以他给他的朋友基普索恩打了个电话,索恩是加州理工学院的教授,也是广义相对论专家。索恩和他的同事们已经找到了一些方程的解,这使得虫洞能够被安全通过。唯一的问题是它们必须由所谓的“外来”物质构成,这种物质的总能量是负的。这并不像听起来那么荒诞,但这并非完全不可能!顺便说一下,虫洞的一个棘手之处是,任何时候只要你的速度看起来比光还快,你就可以回到过去(这是爱因斯坦相对论的一个推论)。因此你要是有一个虫洞,你便可以穿越时空。这可能导致许多悖论:其中最常见的一个被称为”祖父悖论”。

 

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在这个悖论中,我们假设我是一位杰出的科学家,但却是一个真正的人渣。我发明了一个时间机器,我使用它是为了回到过去,在我祖父遇到我祖母之前杀死他。 因为他死了,他就不能生出我的父亲,也就不会有我的存在,这意味着我不可能建造时间机器去杀了我的祖父,因为可以遇到我的祖母和生育我的父亲,还有我,所以我能让时间机器杀了他,所以…你懂的!像这样的悖论使一些人相信你不能在时间里旅行,所以你的速度不能超过光速,但这并不像看上去那么清晰。

我听人说过,当星际物质到达或接触黑洞的视界时,就会发出光和辐射。这是什么意思?为什么会发生这种情况?此外,如果除了光以外,没有任何东西能以光速运动,黑洞如何能把光吸入自身呢?

听起来你可能会对黑洞的一些事情感到困惑:它们实际上并未“喷出”辐射,因为没有任何东西能从黑洞中逃脱(无论如何在合理的时间内)。填塞的物质通常会在视界周围形成一个吸积盘,就像水沿着排水沟螺旋下降一样。当这种物质绕着圆盘旋转,接近黑洞时,它会失去能量,并将这种失去的能量辐射出去。随着某人接近视界,辐射量会急剧增加,因为这是黑洞的重力势阱最陡的区域,所以物质下降得更快,因此损失了更多的能量。

 

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你是对的:由于特殊的相对论效应,任何有质量的物体都不能以光速或超过光速运动。然而,如果黑洞进入事件视界,它仍然可以“吸入”光。根据定义,视界是距中心奇点的距离,对于一个给定质量的黑洞来说,它的逃逸速度必须等于光速。因此,在那个距离上,物体必须以比c更快的速度运动才能脱离黑洞的重力。这是不可能的,因为光以c的最大速度运动,所以即使是光在这么近的距离也会被拉进来。黑洞的逃逸速度是sqrt(2GM/c^2),其中G是牛顿引力常数,M是黑洞的质量。因此,随着黑洞质量的增加,物体逃逸所需的速度也随之增加。

黑洞和白洞的区别是什么?

在讨论白洞之前,我们需要先考虑黑洞。我们如何知道黑洞的存在?有两种证明方法。首先,我们有来自望远镜的确凿证据。望远镜已经被用来观察物体在轨道上发出的光(我们用望远镜无法看到)。与我们所能看到的类似或更大质量的物体相比,这些暗重的物体似乎非常小。这些又黑又大的物体很可能是黑洞。

 

你可曾想象过太阳消失于黑洞后的景象,或者黑洞能够吞噬掉太阳吗

 

其次,我们有一个出色的引力理论,经过了缜密的检验,预测了我们一定会在宇宙中看到这样的物体。

那么白洞是从哪里来的呢?

我们的引力理论(爱因斯坦的广义相对论)预测黑洞是一组方程的解。爱因斯坦方程的解前面可以有一个“+”(正的或积极的)或“-”(负的或消极的)符号。我们在数学中经常看到这种情况。y*y=9的解可以是y=+3或y=-3:

根据你在爱因斯坦方程中选择的符号,你会得到一个黑洞,它通过吸收远处的物质而增长,或者你会得到相反的结果,一个“白洞”。它是一个时间倒流的黑洞。一个白洞会是什么样子? 好吧,如果你有一个摄像机记录一个黑洞吸收物质的过程,然后反过来播放,你会看到一个白色的洞。你会看到物质被白色的洞吐出,当它吐出物质时,洞的大小会逐渐减小。但是白洞是真的吗?

 

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仅仅因为一个描述世界的方程有一个“负”解和一个“正”解,并不意味着它是对事物的正确描述。如果我告诉你我的棒球票数的平方是9,这意味着我有三张票或者负三张。但是负三张棒球票是无意义的,没有这样的情况。动力学中有很多方程的例子,在时间上有正解和负解,但只有一个能描述现实世界,这是因为我们只要环顾四周就能看到时间朝一个方向移动。时间似乎永远不会倒转,不会重放一个小时或一天:

所以我们认为爱因斯坦方程的白洞解是不适用于现实世界的解之一。就像负三张楼球票…这根本不会发生。

最后一点是观察,因为你可以得到所有你想要的漂亮的方程,但是它们必须与我们看到的一致,否则它们便是没用的。目前的观察告诉我们,我们是对的,我们看到了很多关于黑洞的很棒的证据。但迄今为止,还没有一个是关于白洞的。

我知道黑洞有一个很大的引力场。如果它们穿过黑洞,一切都将消失。如果太阳穿过黑洞会发生什么?太阳也有一个很大的引力场,太阳会消失吗?

如果太阳穿过一个黑洞,它就会像其他任何东西一样消失在黑洞中。当任何东西(光,宇宙飞船,甚至太阳)离黑洞太近时,黑洞的引力是如此之强,以至于物体无法逃脱,即使它以光速运动!黑洞与黑洞之间的距离称为视界,黑洞内部没有任何东西可以逃逸。

如果你驾驶一艘宇宙飞船接近一个黑洞,只要你飞出视界,你就可以安全地在黑洞周围的轨道上运行。然而,如果你走得太近,经过视界,就没有办法逃脱了!同样,如果太阳离黑洞如此之近以至于在视界内,它将无法逃逸并且会消失。

 

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如果我们可以控制一个奇点,它的位置,大小,和/或目的地,你认为我们会用它做什么?

首先,要记住,大多数人认为存在一种形式的“宇宙审查”,这意味着一个人不能有一个“赤裸的”奇点。这意味着宇宙中一个真正的奇点周围会有一个视界,所以(1)你不能直接看到奇点,(2)事实上这是一个黑洞。

因此,如果一个人能够控制一个黑洞,那么一个建设性的用途将是产生大量的能量。气体从很远的地方螺旋进入黑洞, 在最终落入黑洞视界之前,通常会释放出其质量能量的10%左右。原因是气体被迫以非常快的速度移动,因此它会与自身发生摩擦并升温,因此产生辐射。这大约是核聚变释放能量的10到20倍,适用于任何物质。也就是说,你可以想象向黑洞扔垃圾(也许是有毒废物!)然后用这种方式产生的能量为人类文明提供能源动力。

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