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掉入黑洞之後發生的事情:聽說可以看見未來?

自廣義相對論預言黑洞的存在以來,黑洞這種神秘天體一直是物理學前沿的研究熱點。黑洞里究竟是什麼樣子?進入黑洞的物體真的再也出不來了嗎?由於黑洞的奇妙性質,許多科學家和科幻作者進行了大膽的猜測,其中比較出名的是霍金在《時間簡史》一書中曾提到一種猜測,或許黑洞會通過蟲洞與一個白洞連接,穿過黑洞的物體會從宇宙另一個地方的白洞中出現。

掉入黑洞之後發生的事情:聽說可以看見未來?

(來源:麻省理工科技評論)

藝術家 Anish Kapoor 曾設計了一個名為「Descent into Limbo」的藝術品,通過塗有可以阻擋 99.8%的紫外線、可見光和紅外線的塗料,給人一種「深不見底」的感覺。參觀者可進入立方體房間,在房間的地板中央就是這一深 2.5 米的圓洞,這不禁讓人聯想到黑洞:即使傳播速度最快的光也無法逃脫它的魔掌。

雖然這個展品與現實宇宙中的黑洞相差甚遠,但小編還是藉此機會來和大家腦補一下「現實中人掉進黑洞會發生什麼」。

掉入黑洞之後發生的事情:聽說可以看見未來?

圖 | 由藝術家 Anish Kapoor 所設計的 Descent into Limbo(1992)。(來源:波爾圖當代藝術博物館)

黑洞之旅

假設我們有一艘先進的飛船,可讓你在有生之年進行一次黑洞之旅,在抵達黑洞附近後,映入你眼帘的應該是一個黝黑的洞,以及一些停滯在洞上方,不久前被吞噬的恆星的碎片圖像。之所以說是圖像,是因為黑洞所產生的引力會使由落入物體所發出的光線發生紅移。從外界看,落入物體的運動會變得越來越慢,最終停滯在視界上方,慢慢變紅,變暗,直至消失(觀測時間足夠長)。那個黝黑的洞的邊界便是黑洞的視界,也就是黑洞內光也無法逃出的領域,整個洞真的是漆黑一片,活像是偌大的宇宙在此處被人揭去了一塊。

此時,你穿上了特製的航空服,縱身一躍,決定到視界一探究竟。在下落過程中,你身體的不同部位會因相對黑洞中心的朝向而受到不同的引力作用,你會看到周圍光線被扭曲地不成樣子,黑洞外部的景色也因此變的一塌糊塗,你的移動速度也會越來越快,雖然速度的概念已沒有了意義,而你也不能感知到「速度」的變化。隨著你逐漸接近視界,你的雙眼所能捕捉到的光線會越來越少,你會感覺周圍變的越來越黑,而最終當你抵達視界時,你的眼前將是一片黑暗。

對於黑洞外的世界來說,此時的你若不在進入視界前選擇離開黑洞(假設航天服威力強大),一切便已成定局,因為你將就此一直向黑洞中心墜落,直至到達奇點,並很可能在這一過程中被引力撕碎(物體在黑洞內各部位受力差異過大,特製航天服也沒用了,場景類似於被捕獲的恆星在被撕裂後會被引力拉成一根彎曲的「麵條」)。雖然在這一過程中你將可能有機會親身體會一波各種現代物理學理論的崩塌,但說實話,那會兒的你應該並不會太在意這些事兒,因為你即將迎來自身生命的終結,也就是死亡。

掉入黑洞之後發生的事情:聽說可以看見未來?

(來源:麻省理工科技評論)

但其實你究竟何時會死取決於黑洞的大小,你身體各部位在黑洞內受到的引力大小有所不同的現象被物理學家們稱為「潮汐力 (tidal force)」,源於由極端引力所引起的時空扭曲。這種潮汐力的大小與(M/r^3)成正比(此處 M 為黑洞質量,r 為黑洞半徑),也就是說黑洞的半徑約大,你的存活幾率也就越大。所以從理論上來說,如果黑洞的半徑足夠大,進入黑洞的人便能活著(不藉助超級航天服)進入黑洞視界,但最終此人還是會抵達奇點,並在從視界到奇點的這段路程中喪命,不同的只是喪命的時間(以掉入黑洞之人本身為參考系)。

那麼,飛船上的人會看到什麼?

正如之前所提到的,由於紅移的關係(你可從另一個角度理解為是光子的逃逸時間有限,最終不敵奇點所造成的時空扭曲而無法逃出),飛船上的人所看到你在墜落過程中會變得越來越慢,逐漸變紅並變得越來越暗,並在你的影像於視界上消失前就已返航。

關於相對論的遐想——短暫的「永生」?不存在的

雖然相對論認為掉入黑洞的你所經歷的時間相對外界來說會隨著你逐漸接近奇點而變得無限長,但對你來說抵達奇點終究也只是個時間問題(以你自身為坐標系的時間),你終將會抵達奇點,並在抵達前被撕得粉碎。因此即便對外界來說你的墜落過程持續了很久,對你來說也沒有意義。

這裡會有人問,既然外界的時間相對於掉入黑洞的人的時間會變得越來越短,掉入黑洞的人是否有機會看到「未來(相對於黑洞外的人)」呢?

因為,就像外部觀察者在觀察墜入黑洞的物體時所看到的圖像取決於光線從物體上被放出後經歷了什麼一樣,內部觀察者所看到的外部景象取決於光線在被內部觀察者接收前經歷了什麼,而這取決於黑洞周圍和內部的實際情況。

有人認為在某些黑洞內,活著進入視界的人如果向後看便能看到在他之後所有進入黑洞的物體,向前看則能看到所有在他之前進入黑洞的物體,但問題在於,目前我們尚無一套成熟的理論能夠描述黑洞內部的情況,就像之前所提到過的,任何已知的物理法則都將在黑洞內失效。沒人真的地知道在那兒到底會發生什麼,所以我們今天所談及的一切還都只是一種「猜想」,並非「有依據的事實」。


作者寫於2018-09-13
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