由诺贝尔物理学奖引发的联想：掉进黑洞会是怎样的体验？

原创 Helen 罗博深数学 收录于话题#诺贝尔奖2个

作者 | Helen

文 2547字 阅读时间 7分钟

导语

2020年10月6日，诺贝尔物理学奖被授予三位科学家，原因为“发现黑洞的形成是对广义相对论的稳定预测”。这篇文章中，我们就一起来探索一下黑洞和银河系最暗的秘密。

10月6日，瑞典皇家科学院宣布将2020年的诺贝尔物理学奖颁给Roger Penrose，Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 以表彰他们在研究黑洞上的进展。其中Penrose获得一半奖金，Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 各自享有四分之一的奖金。

“今年诺贝尔奖获得者对于超质量物体的研究成果是突破性的。但是对于这类物体的研究仍然有许多问题亟待解决。不仅仅是关于它们本身的结构，还在于怎样在接近黑洞的严峻物理条件下测试我们的理论。”诺贝尔物理学奖委员会主席这样评论。

三位获奖者简介

Roger Penrose

罗杰1931年出生于英国；后毕业于英国剑桥大学，是著名的数学家，物理学家。1988年曾因为和霍金共同发表的奇点定理获得沃尔夫奖。

罗杰与霍金

罗杰此次获得诺奖的原因是他用数学严格证明了黑洞的产生符合爱因斯坦广义相对论的原理。实际上，连爱因斯坦自己都不相信黑洞这种“怪物”真实存在：它的质量太大以至于能吸引靠近它的一切，连光也逃不过它的手掌心。直到1965年1月，爱因斯坦逝世十周年，罗杰不但证明了黑洞可以存在，甚至还能确切描述黑洞的性质。在黑洞的最深处隐藏着一个奇点，在那里我们一切已知的自然运行的道理都不再适用。他的在广义相对论上的发现至今被认为是继爱因斯坦以后最重要的发现。

Roger Penrose

Reinhard Genzel 与 Andrea Ghez

赖因哈德1952年出生在德国，物理学家，现任慕尼黑马克斯-普朗克太空物理学研究所所长，也在加州伯克利大学兼任物理系教授。

Reinhard Genzel

安德烈娅1965年出生于美国，天文学家，在加州大学洛杉矶分校担任物理学和天文学教授；同时，她也是历史上第四位诺贝尔物理学奖女性得主（前三位分别是我们熟知的“居里夫人”玛丽·居里、德裔美国物理学家玛丽亚格佩特·梅耶和2018年的得主唐娜斯特里克兰。其中，玛丽·居里曾两度获得诺奖）。

Andrea Ghez

赖因哈德和安德烈娅分别带领的团队在银河系的中心发现了一个看不见的超大质量的大密度物体，使得它周围的物体高速旋转。两位科学家甚至能够给接近银河系中心的恒星进行精确定位。他们利用世界上最大的天文望远镜来透过星云和星际尘埃观测银河系的中心。而且进一步优化了观测技巧，让地球大气层引起的图像失真减到最低。赖因哈德和安德烈娅的实验为黑洞的真实存在提供了切实根据。

黑洞是什么？

黑洞（Black hole）是时空展现出引力的加速度极端强大，以至于没有粒子，甚至电磁辐射，像是光都无法逃逸的区域。广义相对论预测，足够紧密的质量可以扭曲时空，形成黑洞；不可能从该区域逃离的边界称为事件视界（Event horizon）。虽然，事件视界对穿越它的物体的命运和情况有巨大影响，但对该地区的观测似乎未能探测到任何特征。在许多方面，黑洞就像一个理想的黑体，它不反光。此外，弯曲时空中的量子场论预测，事件视界发出的霍金辐射，如同黑体的光谱一样，可以用来测量与质量反比的温度。在恒星质量的黑洞，这种温度高达数十亿K，因此基本上无法观测。

美国东部时间2019年4月10日9时，全球多地天文学家同步公布了黑洞“真容”。该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。

掉进黑洞会是怎样的体验？

答案其实是没人知道。即使真的有人有这样的体验，他也没有办法传个iMessage回来。不过别失望，根据现有的物理学理论，我们可以猜一猜会发生的事情。

还记得薛定谔的猫吗？当我们观察了猫以后，世界一分为二，一个世界里猫是死的，另外一个世界里猫是活的，但是他们只感觉到一个世界。存在是相对的。而掉进黑洞的你，就是薛定谔的猫。

对于正在坠入黑洞的你来说，世界正在一分为二。一个你活着，另一个你死了。当然这并不是鲁迅先生说的“有些人活着，但已经死了；有些人死了，却还活着”。不同的宇宙里，你真的有着不同的命运。

因为黑洞的密度太大，会产生强大的引力场，所以时空会随之扭曲。你正在黑洞的边界，这里也叫做“事件视界”，是黑洞引力刚好抵消光线逃逸能力的边界。你可以想象时空像瀑布一样迅速地往奇点处流，而再快的速度（即使是光速）也没有办法抵消这样的水流，于是你只能随着引力慢慢坠落。

如果这时候有人能看着你坠入黑洞，那么根据相对论洛伦兹变换的原理，因为你的速度太大，你会被渐渐拉成面条状。同时你的时间也在膨胀，真正的黑洞里一天，地下千年。越接近黑洞，对于你的观察者来说，你的运动要越缓慢，最终停止在“事件视界”。身体被不断拉伸，最终被霍金辐射的火焰吞噬。这个世界的你死了。

可是对于你来说，你的旅程还长着呢。当然了，如果你倒霉透顶，掉进了和地球差不多质量的黑洞，摧枯拉朽的潮汐力作用下，你可能撑不过两秒。这里潮汐力是让你的头和脚受到不同强度引力场作用而被拉伸的力。

如果幸运的你掉进了一个足够大的黑洞，那么潮汐力的作用可以忽略不计，你正在自由下落，却什么也感觉不到，不会有颠簸，时间仿佛停止。与其说是引力在拽着你，不如说是时空扭曲到时间在带着你前进，所以只能向前，不能后退。直到你到达奇点，那里体积无限小，质量无限大，引力无限大，时空曲率无限大。没有人知道在那里会发生什么。

之所以有两个世界，是因为量子力学要求信息不能缺失。广义相对论要求在观察者的世界里你必须死亡，而你的世界里你必须存在。而不可能有任何观测仪器同时观测到黑洞内外的你。

说到这里，我想唯有《红楼梦》的这一句能概括了，正所谓“假作真时真亦假，无为有处有还无。” 掉进黑洞究竟是怎样的体验，恐怕要等4040年的诺贝尔物理学奖获得者来回答了。

*资料来源：

https://www.nature.com/news/astrophysics-fire-in-the-hole-1.12726

https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/summary/

原标题：《由诺贝尔物理学奖引发的联想——掉进黑洞会是怎样的体验？》