文章转载自“格致论道讲坛”
(资料图片仅供参考)
黑洞除了在观测上非常有意思，
能带给我们很奇妙的照片外，
它其实也非常适合做思维试验，
是凭空就能推动科学发展的东西。
张帆· 北京师范大学天文系副教授
格致论道第38期 | 2019年4月29日 北京
大家好，我是张帆，来自北京师范大学天文系。
引力不是力，而是时空弯曲的表现
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如果要想明白为什么黑洞看起来像甜甜圈，我们要先知道广义相对论。
广义相对论的诞生最早可追溯到比萨斜塔的实验，伽利略将一个重球和一个轻球同时从斜塔上扔下来，它们最后居然同时落地，结果出乎人们的意料。在做实验之前，人们并不认为会出现这样的结果。
▲比萨斜塔实验
后来爱因斯坦细想这个实验结果，想到一个很有意思的事情，他意识到引力和其他的力完全不一样。
比如电磁力。如果让两个同样的物体带上不同的电荷，把它们放到电场里面，一个会加速快，一个会加速慢，然后它们两个就分开了。通过这个办法，我们就能知道某处是否有电场。
但是在引力场的作用下，两个物体永远同步下落。我们没有办法区分，到底是因为引力场的作用它们才下落，还是其实这两个物体是在太空中飘着的，只不过是我们作为参照物的电梯加速往上走，才显得它们加速向下运动。
在这种情况下，爱因斯坦就思考，如果在任何实验下都不能区别这两种情况，那么作为实验科学，物理应当认定他们是一样的东西。
换句话说，引力不是力，它并没有加速物体。人们平时生活中所经历的引力效果，大多是因为人们选了比较奇怪的参照物。
话虽如此，也不是说引力在任何时候都没有效果，引力当然存在，只不过它不是一个正常的力。不受力的东西是走直线的。但是在大尺度上，比如在地球的周围，各个地方受到引力的方向都是偏向地心的，方向都是不一样的。
▲下落的两部电梯
好比这张图显示的思维实验的情况，一开始这两部电梯是平行下落的，但到后来它们会撞到一起，因为引力的作用会引导它们向地心的方向走。所以引力可以用实验来验证结果。
如果引力不是力，那不受力的物体应该沿直线运动。沿直线运动的两个物体在开始的时候平行，为什么走着走着到后面就不平行了？
很明显，这种情况无法在平面上发生，在平面上平行的物体会一直平行。但如果在一个弯曲的曲面上，这种情况就有可能发生。
最开始，这两条黑线和黄线的夹角都是一样的，所以刚开始的时候两条黑线是平行的。但是两条黑线慢慢地往地球两端走，他们就会撞在一起。
这个时候爱因斯坦就想，引力不是力，引力其实代表着时空的弯曲。
物体走直线，在任意的形状上面，意味着物体会走这个形状上最短的线。而形状本身很奇怪的话，这些线也会表现出很奇怪的特点。
我们现在就可以理解为什么在一个电梯里面，我们没有办法测出来引力是否存在。但是在一个大的尺度上，在引力场有变化的时候，引力的效果就体现出来了。
想象你是一只蚂蚁，位于图中黑色的小圈里，你其实无法区分你究竟是在上方的平面上，还是在下方的曲面上。这有点类似于我们身处地球，却不知道地球是圆的。我们只有把自己拉出来，放到一个很大的尺度上，看到了引力场的变化，才会知道原来我们的时空是弯曲的，我们在一个弯曲的面上。
这种引力的变化也叫潮汐力，可以说，引力的效果主要是通过潮汐力来体现的。引力本身的一阶的效应是不存在的，不是一个力。
引力既然是时空弯曲的表现，那么产生引力的物质就必然要弯曲时空，物质怎么弯曲时空呢？如果引力不是力，我现在跳一下，为什么没有受到力的我不会飞到太空里面去呢？
黑洞的边际——事件视界
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▲一条鱼拼命想游出瀑布
其实，你可以这样想象，空间就像一条瀑布，水不断地往下流，越往下流速越快。即便我往上跳，但还是被瀑布给冲下来了。
换而言之，在宇宙里，如果一个很小的范围里有着一个质量很大的物体，这个物体周围瀑布的流速会很猛，那么以最快速度游动的鱼也没有办法游出去。
爱因斯坦曾说，宇宙里速度最快的是光速。如果一条光速游动的鱼都逃不出去，那么这个瀑布就叫作黑洞，黑洞的边际叫作事件视界。
▲在瀑布边缘试探的船
在事件视界之外，光虽然不会被吸进去，但也会受到影响。就像图片中的这条船，即便人们再努力地沿直线划，因为横向水流很快，还是会受到影响而被拖着拐弯。
▲黑洞周围弯曲的光
所以，黑洞周围的光不只会弯曲，还会绕着黑洞转圈。黑洞的效果和眼镜的效果是一样的，眼镜之所以可以放大，是因为光线通过眼镜发生了偏折。
▲绕黑洞转的气体
我们可以把黑洞想象成一个大的哈哈镜。这时如果在黑洞周围放一团炙热的气体，让它绕着黑洞转，你就会看到它有好多个影子，但实际上只有一团气体。我们从不同角度去看黑洞这个哈哈镜，它就会把这团气体映射出很奇怪的影像。
▲像甜甜圈的黑洞
明白上面所讲的内容，再看上图，我们大概能明白是怎么回事。这张像甜甜圈的照片，黑洞其实在中间黑色位置的里面，围绕它的那一圈是黑洞外面的物质所发射出来的信号，被像哈哈镜一样的黑洞折射出来的射电信号。
当然这景象人的肉眼是看不到的，因为人是看不到微波的。这张图实际上是根据信号强度做出来的一个示意的东西。
如果人类真的可以跑到黑洞附近去观看，会看到黑洞周围是彩色的。彩色并不是代表着它很好看，而是因为绕着黑洞转的这些气体，在不同的地方温度不一样，发射出来的颜色也就不一样，所以才会呈现彩色效果。
▲黑洞周围气体因不同温度发射出不同光彩
但这个图片是想象图，是根据大量数据处理出来的，实际上想拍摄到前面展示过的黑洞甜甜圈的照片还是非常难的。因为这实际上是黑洞的剪影，我们要看出中间那个黑圈，才能说它是黑洞。
照片中的黑洞本体在5500万光年以外，而且黑洞本身很小，在天空上基本是一个小点儿。它中间有暗斑，人们想在小点儿上分辨出明暗，这是非常难的。如果再模糊的话，它就是一个亮点，天空中有很多亮点。
用干涉阵列来看遥远的黑洞
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如果要得到这么精细的照片，就必须要有特别高的角度分辨率。那么怎样才能获得这么高的角度分辨率呢？
▲通过干涉阵列的方法来获得高的角度分辨率
我们通过干涉阵列的方法来获得高的角度分辨率。黑洞的信号在某一时刻齐头并进向外传播，而它们到达地球上各个射电望远镜的时间是有差别的。时间差明显与图片中红色虚线和红色实线之间的夹角相关。所以利用时间差，科学家们就能用干涉的方法将这些信号的来源方向提取出来。同时，时间差又和实线的长度成正比。
换句话说，如果两个望远镜之间的距离特别长，我们会得到一个比较大的时间延迟，这个时间延迟会告诉我们信号究竟是从哪个方向来的。在仪器精度不变的情况下，我们就可以得到特别高的角度分辨率了。
这就是为什么参与拍摄黑洞的射电望远镜阵列，涵盖了从格陵兰岛到南极不同地方的望远镜，之间的距离达到地球直径。这其中有一个智利的望远镜阵列的灵敏度特别高，也是非常重要的一个阵列。
我们可以用大型仪器观看遥远星际里很大的黑洞，也有可能用一些高端仪器在地球上造出来很小的黑洞。
我们能造出黑洞吗？
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这位老先生叫Kip Thorne（基普·索恩），是电影《星际穿越》的科学顾问。
他提出来一个猜想：如果给定一个物体，根据它的质量做一个特别小的呼拉圈，然后让呼拉圈各种转，转的过程中始终能把这个物体包含在内。换句话说，物体在各个维度、各个方向都要能够包含这个物体。那么，这个物体必定会形成一个黑洞。
大型的粒子对撞机能够把很高的能量，也就是很大的质量集中在一个很小的范围里，所以根据这个猜想也是有可能造出一个黑洞的。
如果我们真的用粒子对撞机造出了黑洞，它会吞噬地球吗？
这是不可能发生的。首先，形成黑洞是很难的。这需要两个粒子对得特别准，正好迎头撞上。如果不在微小的尺度上修改引力，引入一个高维空间，想要做到这点实际上很难。
即便黑洞产生之后，也会面临霍金蒸发，而且越小的黑洞蒸发越快，黑洞很快就没了。这个“蒸发”的说法是霍金提出来的。即便霍金说错了，黑洞不会蒸发，它也能长期而稳定地存在，不会吞噬地球。
虽然黑洞的引力强，但只有在距离黑洞特别近的地方才能体会到。离黑洞比较远的时候，黑洞的引力实际上和一个同等质量的基本粒子没什么区别，不会把远处的物体吸过去吞掉。基本上没有什么东西能够正好跑到离黑洞特别近的地方。
我们周围的这些东西基本都是真空，因为基本粒子看上去都是真空，原子核和原子的大小差着十万倍。
就算科学家能造出黑洞，那也比原子核小得多，基本没有什么能跑到距离黑洞特别近的地方给它“吃”。所以黑洞唯一会做的事情，最多就是沉到地球中间，就静静地“坐着”。
如果你掉进黑洞，会有什么体验？
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虽然我们没在地球上“作死”，但经常能够看到电影里面的黑洞。例如《星际穿越》中的男主角Cooper后来跳到了黑洞里。
影片中的他在经过事件视界的时候，没有任何感觉，然后就进去了。这是因为，除非有潮汐力的存在，否则根据等效原理，物体在自由落体时是没有任何感觉的。
超大黑洞的潮汐力其实很弱，引力虽然很强，但是人的尺寸比黑洞的尺寸小得多。在人的尺寸上，黑洞的引力场虽然强，但黑洞引力没什么变化，也没有什么潮汐力，所以Cooper并没有感到什么不适。
▲掉进黑洞的Cooper
直到他掉到中间接近奇点的时候，如果头朝下掉就会被撕碎，如果横着掉就会被压扁。
影片中的女主角布兰德，也就是安妮·海瑟薇饰演的角色，她坐在宇宙飞船里其实是看不到Cooper掉到黑洞里面的，她会以为Cooper一直凝固在事件视界上。为什么会这样呢？
▲手绘时空图
大家请看这张手绘的时空图，竖着的代表时间，横着的代表空间，实线表示事件视界，虚线代表奇点，弧线代表Cooper的运动轨迹。
我们刚才说了，事件视界的定义是任何光都永远无法逃脱的地方。换句话说，光沿着事件视界在运动。
如果想让布兰德看到Cooper，必须要有光从Cooper那里发出来，并达到布兰德的眼睛。但因为光无法从事件视界里逃脱出来，所以里面的光永远到不了布兰德的眼睛，布兰德也就永远不知道Cooper掉进黑洞了。
而且离事件视界越近，光往外走就越艰难，需要花费更长的时间。布兰德只会看到Cooper走得越来越慢，最后贴到事件视界上不动。如此看来，事件视界真是很奇妙。
但还有更奇妙的。这段视频展示了两个黑洞合并时的状态，两个黑洞的事件视界最终合并成了一个单一的事件视界。
请大家注意观察，两个事件视界在合并的时候，就像两只小手在牵手一样。它们怎么这么厉害？它们怎么知道对方要往哪个方向伸手？怎么知道未来会发生什么事？怎么确定它们就能完美地合并呢？
这其实涉及到了事件视界的另一个特性——预知未来。事件视界的定义是光“永远”无法从事件视界里逃脱，所以光在某一时刻其实并不知道自己是否位于事件视界里。只有一直等到宇宙灭亡，它才会知道自己最后到底有没有跑掉。所以事件视界的定义就限定它不是由局部的物理就能决定的。
▲裤子图
这张图描绘了两个小黑洞合并成一个大黑洞，这个图也叫裤子图。在黑洞合并的过程中，实际上黑洞的质量会减小，因为有一部分能量被引力波带走了。
但是Bekenstein（贝肯施泰因）和霍金告诉我们，黑洞的表面积实际上是增大的。这个结论听起来有点违反常理，但是确实成立。
这种情况只在经典引力的情况下存在，当我们把量子力学加入进来之后，又发生了另外一件事，黑洞的表面可以减小，而且黑洞最后能够蒸发。这就是之前讲的为什么小黑洞不会消灭地球。
不同领域科学家眼中的多种黑洞
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量子力学对真空的定义是根据观测者而定的。《星际穿越》中的Cooper看到的是真空，周围什么都没有。但在宇宙飞船里的布兰德看到的是黑洞周围有很多粒子。这些粒子组成的体系有温度，黑洞就会产生热辐射，这就叫霍金辐射。
在宇宙真空环境里，不断会有一对粒子产生出来，它们互相抵消然后消失。之所以能这样，是因为测不准原理。测不准原理认为，在一个很小的时间范围内，能量是测不准的，所以能量不需要守恒。
你可以造出两个粒子，只要它们能在短时间内抵消再消失，把能量还回去，那一切都没事儿。当然实际上，量子力学在计算的时候，会用另一个等效的方法，还是假设能量守恒，但是给这两个粒子特别奇怪的能量值。这样一来，质能方程E=mc²就不能用了。
但这种粒子产生再消亡的情况如果发生在黑洞附近，情况就会变得复杂些。比如其中一个粒子掉到黑洞里，或者一开始就在黑洞里，而另一个粒子在黑洞外。那里面的粒子就没法出来和外面的粒子抵消，外面的粒子就能跑掉，带走能量，这样就无法偿还能量给真空。这笔账需要黑洞替它还。
长期下来，黑洞的能量就会被带走，黑洞就会逐渐变小，直至最后炸掉、消失。而跑掉的粒子就是霍金辐射。
霍金辐射还有一个特别奇妙的地方。它是纯正的黑体辐射，它只和黑洞的质量、旋转速度和电荷相关，和黑洞由什么组成没有任何关系。
你扔本字典和扔块石头进去，它们对霍金辐射的影响都是一样的，我们没有办法通过霍金辐射识别最开始扔的是字典还是石头。
这和太阳的黑体辐射还不一样，太阳的辐射里面其实有很详细的细节信息，只不过人们人为地忽略它们。我们用一个大写意的方法，用热力学来描述太阳辐射，人为地把那些信息忽视了。
而霍金辐射是没有细节的，无所谓是什么信息，被黑洞给吞了以后就出不来了。直到黑洞蒸发消失，这些信息也就跟着消失了。
不过，信息凭空不见的说法让一群人无法接受，他们就是量子物理学家。
这只猫的名字大家知道吗？“薛定谔的猫”是量子力学领域里一个非常知名的思维实验。
在这个实验里，这只猫处于既生又死的状态，量子力学会告诉你它生的概率是多少，死的概率是多少。
但如果你把盒子一打开去观察猫，那猫的生死就坐实了，猫的生死概率就没有了，量子力学用来描述概率的那个物理实体也就一下子瞬间改变了。当然这种人类行为瞬间改变物理实体的说法是比较唯心的解释。
用现代一点的解释，就是猫的状态传染给了你。一个看到猫生的你和一个看到猫死的你同时存在，就像猫同时既生又死一样。但这两个你之间是不能够通信的，也没法影响到对方，这就叫多重世界解释。
多重世界解释并不是指我们的时空会分裂出很多平行的宇宙，而是不同状态的你其实和那个既生又死的猫一样，生活在同一个时空上。
不管怎么说，量子力学需要有一个统计学的解释，那就需要所有可能性所对应的概率数加起来应该等于1，也就是总概率为100%。我要是只告诉你某个事件对应的数是0.9，但不告诉你所有事件的数加起来是不是1，那其实等于什么也没有告诉你，你没有办法推测出一个有用的概率来。信息在黑洞中丢失就会造成这种总数不一定为1，但我们也不知道它究竟是多少的囧况。
所以量子科学家对信息丢失后总概率无法确认为1的说法痛恨至极。他们一直在挑霍金的错，但一直挑不出来。所以他们就通过旁证，用别的办法来论证信息其实并不应该丢失。
先不管如何让信息不丢失，他们先假设霍金辐射是能够被修改的。被修改之后，黑洞附近复杂的量子过程产生的信息能够通过霍金辐射带出来。
虽然不知道这个过程怎么做，但是量子信息学家告诉我们，如果要想能将信息有效地提取出来，那么这些霍金辐射出来的粒子之间，就必须通过量子纠缠的方法勾连在一起。
量子纠缠可以这样理解，把两个粒子放在一起制备，随后将一个放在这头，另一个放在很远的那头，但仍然有着神秘的作用在联系着它们。我如果对其中一个粒子做一个测量，另一个粒子的状态马上就发生了改变。“马上”的意思是不需要任何时间，这明显是超光速的。
可如此一来，爱因斯坦就不愿意了。因为爱因斯坦认为宇宙里速度最快的是光速。你们怎么弄出超光速来了？当然，后来发现这种方法并不能用来传递信息，所以广义相对论和量子力学之间的矛盾才没有变得那么尖锐。
后来人们通过利用实验来证明贝尔不等式的方法，验证了量子纠缠。当然，实际上贝尔不等式有漏洞可钻。
回到霍金辐射。如果把出来的霍金辐射纠缠上，我们是能够提取信息的。之所以会有霍金辐射，其实是以粒子牺牲同伴到黑洞里为代价的。所以辐射跑出来的粒子其实已经和掉进去的粒子之间纠缠在一起了，如果它想按量子信息学家要求的那样和其它跑出来的粒子之间纠缠上的话，就需要先和里面的粒子断交。和里面粒子断交的过程中会释放很多能量，就会产生火墙。
有量子力学专家认为断交的结果是在事件视界附近形成了一个充斥着极高能量粒子的区域——火墙。
这样一来，Cooper就不是像经典物理学家说的那样，会毫无感觉地通过事件视界，完全不知道自己面临死亡的威胁。相反，Cooper会被火墙烧焦，甚至直接烧成渣。
这种说法如果是正确的，就有另外一群人接受不了，也就是研究广义相对论的学者。他们认为这种说法完全不合逻辑，直接违反了爱因斯坦广义相对论的等效性原理——除去潮汐力，以自由落体方式落入黑洞的人感受到的物理规律应当和漂浮在空旷的星系空间的人相同。
而且确定事件视界的位置需要能预知未来。光子自己都不知道是否身处事件视界上，如果要在事件视界周围放火墙，难道要让火墙去预知未来吗？
如果这样的话，整个物理学都要被重新改写了。如果能够把火墙放到事件视界里一点点，实际上是能够出来的。我们在照片上没看到火墙，当然可以说火墙是在黑洞晚期才形成的，但也有人说应该是在早期形成，总之没有人能够真的证实。
很多人认为既然要做那么多的改动，还不如承认信息丢失，把量子力学的理论改一改，别总试图改相对论。尤其像罗杰·彭罗斯，他认为黑洞信息丢失是他所提议的循环宇宙模型中很关键的一部分。
总而言之，黑洞除了在观测上非常有意思，能带给我们很奇妙的照片外，它其实非常适合做思维试验，是凭空就能推动科学发展的东西。
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