永恒的黑暗

编译 夏冰

在 《黑洞生存指南》 （BlackHoleSurvivalGude） 一书中，天体物理学家扬娜·莱文 （Janna Levin） 把黑洞用作思想实验的 “幻想舞台”，鼓励读者从内心想象遭遇黑洞时的体验，让大众更好地理解有关黑洞的知识。

黑洞几十年来一直未经证实，20世纪的一些伟大天才认为其荒谬、有害、无法接受，直到发现黑洞真实存在于星系的物理证据。

发现了一个黑洞距地球仅几千光年远。向左走，向那颗黄色的恒星走去，向星团走去。在星空背景下漫步，我们既在群星之下也在群星之上。天上星罗棋布，就像虚空中缀着点点星光；而藏在永恒黑暗中的黑洞散落在星星之间。我们在银河系中心的黑洞的轨道上，被牵引着向仙女座星云中心的黑洞移动……

我希望通过这本书让你更了解黑洞，剔除华而不实的外壳，更接近黑洞的最黑暗本质，惊叹于黑洞的奇异和独特。我们将会踏上一条少有人走过的路，通过一系列简单的观测，最终发现：我们关注的黑洞根本不是什么物体，至少不是传统意义上的物体……

失重和自由下落

很多人都对黑洞存在误解，将它们描述成“有害”的庞然大物。这种评价并不公允。实际上，大部分黑洞都非常“有益”，而且本质上非常小。在你开始黑洞之旅前，应该做好准备工作，充分考虑可能出现的危险。公正地说，如果你不谨慎行事，仍可能会陷入难以预料的危险。即便是在地球上，也还有不少未被人类征服的自然之地；要完成黑洞之旅，必须怀着一颗敬畏之心。毕竟，你将成为它们领地的入侵者。

黑洞是时空扭曲、怪异和极端变形以及极度不稳定的意外产物。坦率地说，科学家现在已经没那么讨厌它们。黑洞在物理上和理论上都是大自然馈赠给人类的礼物。在可观测宇宙的最远处可探测到黑洞；它们锚定星系，为我们银河系风车和其他可能的星系提供了中心。理论上，黑洞为探索思维最远处提供了实验室。黑洞是进行思想实验的理想梦幻舞台，目标是探索宇宙的核心真理。

在寻找黑洞的时候，你并不是在找某种物理实体。黑洞可以伪装成某种物体，但它本质上是地点——时间和空间的地点。更好的描述是：黑洞就是时空。

想象一个空旷的宇宙。你从来没有见过或经历过的原始地方，巨大虚无、处处相同——巨大和光秃；仍然是三维的，但处处平坦。

这就是说，空旷的宇宙其实是平坦空间。当你身处平坦空间时，就会沿着直线浮动。虽然此时你并不是通常意义上的坠落，但我们还是把这种自由运动叫作自由下落。只要没有启动火箭、没有推力和拉力，从本质上说，对你产生作用的只有引力，你就会处于“下落”状态。如果自由运动的轨迹只是直线，且平行的直线永远不会相交，那么这种空间的几何结构就是平坦的。

不过，你现在处于自由下落状态的可能性非常低，你现在身处平坦空间的可能性也非常低，因为我们的星系中不存在这样的地方。坐在椅子上你就不可能自由下落，椅子会托住你防止你下落。站在地板上你就不可能自由下落，地板会托住你的脚，防止你坠落到地面。躺在床上我们会觉得自己很重，我们认为地球引力在往下拉我们。其实我们搞错了，完全错了。我们感受到的并不是地球的引力，而是床垫的原子推着我们自身的原子。只要抽掉床垫或抽掉各个楼层的地板，你就会下落，而下落正是最纯粹的连续引力体验。只有在对抗引力的过程中，你才会感受到引力的拉拽、惯性、阻碍和沉重。一旦向引力屈服，所有力的感觉都会消失。

体现自由下落概念的经典场景是电梯。你搭乘高层公寓电梯的时候，会感到有个力托着你的脚。这个力作用于脚和电梯地板之间，正是它让你停留在电梯内。这是物质之间的作用力。如果你对纯引力（没有物质间相互作用的干扰）感兴趣，就必须通过某种方式脱离电梯。你请人把电梯的缆绳锯断，你就会和电梯一起下落。在下降过程中，由于你和电梯地板以相同速度下落，你相当于是“漂浮”在电梯中。你不会落到地板上，因为地板也在下落。你可以借着推墙壁产生的力在空中翻滚。这个时候，你似乎感受不到自己的重量，就像空间站的宇航员一样。你也可以像宇航员那样把水壶中的水倒出来，然后喝到悬浮在空气中的水滴。你也可以松开握着的笔、手机、石头，让它们也漂浮起来。爱因斯坦称这一简洁又深刻的思想实验——我们在下落时体验失重的感觉——是他人生中最快乐的思想之旅。

等到你身上的原子与地球表面的原子发生相互作用时，这段自由下落的快乐之旅就以一种你绝对不开心的方式告终了——你会重重地摔到地面上。不过，这并不是引力的错。你可能会摔得粉身碎骨，但罪魁祸首是其他的一些力，比如原子间的作用力，而非引力。（如果你是由暗物质构成，那就可以直接穿过地壳，一路下落。）

这个电梯思想实验持续的时间不会太长，因为地球有自己的运行方式。因此，不去想象自己漂浮在离地球、离银河系很远很远的宇宙空间中；而去想象一个虚构的空旷空间，里面除了你和你穿的宇航服，什么都没有。这个时候，你发出照明弹照亮周围的空间，并且往三个方向上投掷物品，结果会发现它们都在自由下落。现在，再想象每个投掷物都留下了一条显示自己运动路径的轨迹。很快，你就会看到它们画出了一个直线。这个时候，你就会清楚看到空间是平坦的——自由下落的物体沿直线运动——并且，这个空间中除了你、你的宇航服、你发射的照明弹以及绘制出直线的发光轨迹外，空无一物。在这个场景中，引力的作用如此微不足道，上述所有物体都根本无法对平坦空间产生明显的影响。

不过，实际情况是宇宙并非空无一物。我们都很清楚自己受到地球的束缚，而地球受到太阳的束缚，太阳受到银河系的束缚，银河系受到附近仙女座星系的束缚。此外，这两个星系都坐落于室女座超星系团中，而室女座超星系团则受到可观测宇宙中所有其他星系和所有其他能量的影响。因此，我们绝不是生活在一个平坦的广漠时空中。

宇航员也并非飘荡在空无一物的空间中，他们可以看到地球在自转，看到太阳的剧烈活动。虽然宇航员确实在下落并且经历失重状态，但我们更习惯把他们的下落路径称为轨道：宇航员沿以地球为核心的轨道下落，地球沿以太阳为核心的轨道运动，而太阳则沿以银河系中心为核心的超长轨道运动。所有这些路径都不是直线。宇航员的运动路径是以地球为中心的圆圈，地球的运动路径则是以太阳为中心的圆圈，太阳的运动路径则是围绕着银河系中心的圆圈。这是因为星空并非空无一物，而非空空间的自由下落路径会发生弯曲——物质和能量的存在会弯曲空间。

弯曲空间

我们生活在弯曲空间中，而非平坦空间。这不难证明，只需要在你躺在沙发上时，往远处扔个东西，然后观察它的运动轨迹。你扔出去的这件东西绝对不会沿直线运动，它的运动路径会在空间弯曲，画出一道弧线。无论我们扔什么，它们都会沿着向地球弯曲的路径运动。你可以做一场环球旅行，躺在各个国家的沙发上，往远处扔东西。它们都会画出一道弧线，最后落在地面上。同时，我们可以记录下每次扔东西的结果，并且绘制出一张由各条弯曲路径构成的三维网络，这样其实也就构建出一张能够体现地表附近空间形状的地图。以这些结果为基础，我们可以得到结论：地球改变了空间的形状。此外，我们还可以通过物体的自由下落路径绘制这种形状。

自由下落取决于你在地球上抛出东西时的速度。直接把扳手摔下去，它会沿直线掉到地上。如果站在房间的一侧往另一侧扔扳手，那么它就会沿着弧线下落。只要扔出时的速度和方向不变，那么即便你扔的是一辆汽车，它也会沿相同的弧线下落。扔出扳手时的速度越快，它画出的弧线就越长，快到一定程度，这条弧线就不会落到地面上，而是形成以地球为中心的轨道。要是扔出扳手时的速度更快一点，它就会永远离开地球并一直向外飘去，直到被另一个天体（比如木星或太阳）的弯曲空间俘获，并且沿一条与地球上的情况完全不同的路径跌落。

八大行星其实也是在绕着太阳自由“下落”，没有任何发动机之类的东西给它们提供外部作用力。它们的运动轨迹呈椭圆形，而且会通过自己的引力清除自身轨道附近的“障碍”。地球绕着太阳自由“下落”，而月亮则绕着地球自由“下落”。

我们把很多人造物体都送到了地球轨道上，那些轨道其实就是人造物体绕着地球自由下落的运动路径。宇宙飞船发射升空后，一旦抵达预定位置，就会关掉发动机，在太阳或者地球（这种情况更常见）等天体轨道上永远保持自由下落状态。部分空间任务专家反对在航天器中加入自主推进装置，这样在资金紧张的情况下，航天机构就不会通过人工手段将航天器推出轨道，使其在目标大气层中坠毁。这样，废弃卫星仍旧会在宇宙空间游荡，成为太阳系永远无法摆脱的幽灵垃圾。

国际空间站也绕着地球自由下落。宇航员就像我们之前想象的电梯乘客一样漂浮在空间站中。这并不是因为他们没有受到地球引力的影响，他们肯定会。空间站距地面不过几百千米高，远远没到能够摆脱地球引力影响的程度。这种效应的体现就是地球周围的空间弯曲成曲线，而国际空间站正是沿其中一条运动——一条能够让其保持自由下落状态的圆形轨道。国际空间站和宇航员一起每90分钟绕地球一圈，速度接近28 000千米/时。他们一会儿走出日照区，步入地球阴影中；一会儿又回到日照区，接受阳光的照耀，如此反复。他们的运动速度快到足够在自由下落时与地球大气保持距离，因而永远不会坠落到地面上。

通过爱因斯坦一生中最快乐的思想实验（空间失重、自由下落），我们借助一些最为常见的事实（躺在沙发上扔东西的各种结果）就能推断出宇宙空间中的自由下落路径是曲线。而引力其实就是弯曲的时空，这正是爱因斯坦最伟大的洞见。

爱因斯坦毫不掩饰他对简洁性的热爱，表现为其天真、朴素、奇妙的思想实验。他知道自己并不理解学校对引力的标准解释，地球根本没有接触月亮，怎么能拉拽后者呢？其实，不光爱因斯坦无法理解引力，其他人也同样无法理解，但那个时代的其他科学家根本没有认真思考自由下落的问题，也没有详细研究这个现象的本质。然而，正因为不理解引力并且坦诚承认这个事实，爱因斯坦才对实在的最为接受和最基本的方面提出挑战。

在爱因斯坦之前，大家都习惯认为，引力是一个物体作用在另一个物体上的力。但是，这种力的神秘之处在于：它不需要物体实际接触。在爱因斯坦之后，大家的观点发生了变化。引力被看作弯曲的时空。地球根本没有接触月亮，怎么能拉拽后者呢？答案是，地球根本没有拉拽月亮，地球没有向月亮施加任何力。相反，地球只是弯曲了空间，而月亮正是在这种弯曲空间中自由移动。

黑洞就是一种空间

在离黑洞很远的地方，空间的曲线和围绕太阳、地球、月亮的曲线相同。如果明天我们的太阳突然变成了黑洞，地球围绕太阳运动的轨道不会发生任何改变。我们围绕“黑洞太阳”自由下落的弯曲路径和绕真实太阳的路径几乎一模一样。当然，如果真的出现这种情况，等待我们的将是永恒的黄昏、末日的黑暗和寒冷，但我们的轨道不会有什么变化。

地球与太阳之间的平均距离约为1.5亿千米，而太阳本身的直径约为140万千米。相较之下，和太阳质量相当的黑洞直径只有6千米。虽然在大家的印象中，黑洞是吞噬一切的大恶魔；但其实，黑洞的“作恶”范围要比太阳小得多。只有当你到过距黑洞中心和太阳中心几百千米处时，才能真正注意到这两者附近空间的巨大差异。然而，你不可能不被烧毁而到达距太阳中心几百千米处；你可以接近黑洞，保持安然无恙。

一旦进入到太阳等离子体里，太阳的引力影响就减弱。在你接近太阳中心的过程中，也把太阳的部分质量抛在了后面。因此，你离太阳中心越近，抛在后面的太阳质量就越多，太阳内部空间的弯曲就越平缓。

另一方面，无论你怎么接近黑洞，都不会把任何质量抛在后面。因此，空间的弯曲只会更加明显。这正是黑洞的特别之处：你永远无法把黑洞的任何质量抛在后面，黑洞的所有质量就好像永远集中在你前面一样。即便你无限接近黑洞中心，仍旧会感到它的所有质量都在你身前。

只要和黑洞保持安全距离，你就不可能被它撕碎或吞噬。黑洞并不是人们印象中的灾难之源，至少在你莽撞闯入它的实力范围之前不是。当然，一旦你越过了不能返回的临界点，情况将变得非常糟糕。因此，即便你大胆接近黑洞，只要还在安全距离之外，你都可以建好空间站，关掉发动机，在只需几小时走完一圈的稳定轨道上自由下落，欣赏黑洞附近的美景，只要能保证补给。

资料来源AmericanScientist