黑洞是宇宙中最极端的事物之一。它们的引力非常强大，可以弯曲光线甚至时间。所以如果你找到了一个，然后掉进去，会发生什么呢?
在这一集里
黑洞是什么?
克里斯·雷诺兹，剑桥大学
黑洞是宇宙中最极端的事物之一。它们的引力非常强大，可以弯曲光线甚至时间。所以，如果有人找到了一个，然后掉进去，会发生什么呢?为了了解更多的情况，剑桥大学的天文学教授克里斯·雷诺兹(Chris Reynolds)简要介绍了这些神秘的时空区域是如何运作的。
思考黑洞的最好方法是思考它是如何形成的。重力是一种难以置信的强大力量，在自然界的关键是，在某些情况下，重力实际上可以压倒所有其他力量。所以如果你有一个物体有很大的质量并且这些质量被集中到一个地方，那么你可以有这么多的质量被集中到一个地方。这个质量的引力，把这个质量压碎的引力，实际上可以压倒所有其他的物理力。物体就开始向自己下落，它向自己下落，然后继续向自己下落。没有什么能抵抗它，理论上它会一直落在一个点上。在这个过程中，有趣的事情发生了它将自己与宇宙的其他部分隔离开来。光速是任何事物的基本速度限制。所以速度限制当然是指光能走多快，但它也是信息从一个地方传播到另一个地方的速度限制。当物体开始向内折叠。 The escape velocity of that object, in other words the velocity that you have to leave with in order to actually escape the object, goes up and up and up. And at some point the object is now so dense that you would need to be thrown off it at the speed of light or faster to actually leave. And there's a point of no return that surrounds it, called the event horizon. And when you think of a black hole and you think of that black sphere, that's what you're looking at. You're looking at that, that event horizon, the point at which nothing can actually get out.
威尔-那么所有黑洞的大小都一样吗?
Chris -这是个好问题。我们知道至少有两类黑洞。有一种我称之为小黑洞，是恒星坍缩的产物，恒星的核心经历了坍缩，然后爆炸，就形成了黑洞。在此过程中，黑洞形成过程中释放的能量可以将恒星的其余部分炸成超新星。剩下的是一个质量大约是太阳10倍的黑洞。我们知道的另一类黑洞是超大质量黑洞。这些黑洞的质量在100万到100亿倍太阳质量之间。它们位于星系的中心。
威尔-都是活跃的黑洞。有没有所谓的休眠黑洞?
克里斯-这可能只是程度的问题。任何黑洞，都会有一些气体或尘埃或周围的东西进入黑洞。当气体下落的时候，它会释放一些能量，它会发光。所以当气体落入黑洞时，会有一些我们称之为黑洞活动的东西。然而，黑洞肯定有一个子集。有一小部分，也许是百分之一到百分之十的超大质量黑洞会有很多气体落入其中。有很多物质落入其中，它们真的会发光。你可以隔着很远的距离看到它们。这些就是我们通常认为的活动黑洞，术语是活动星系核。
威尔:也许黑洞最神秘的地方是中间部分。我们知道黑洞中间发生了什么吗?它能被称为中间吗?
克里斯:嗯，是的，这就是黑洞中心发生的事情的深刻奥秘。这就是所谓的时空奇点。这是它的专业术语。首先，这是一个很难理解的区域，因为理论上它有很大的不确定性，而且我们无法看到它，所以我们无法获得有关它的数据，这当然使得它很难理解。事实上，有些人甚至会说这不是科学，因为我们无法获得相关数据。时空奇点的本质实际上与史蒂芬·霍金提出的一些关于黑洞的深奥问题密切相关。史蒂芬·霍金提出了黑洞和信息是如何相互作用的问题。根据我们的标准引力理论，有一个深刻的谜团，如果你把一个黑洞，然后把一个书的硬盘扔进黑洞，那本硬盘上的书的信息应该会完全丢失。你只是破坏了这些信息。然而，作为现代物理学基础的另一个理论——量子力学告诉我们，这是不可能的。 You can't destroy information. So how do those two pillars of physics play with each other? That was a big concern of Hawking and, and many other theoretical physicists in the past few decades. And it gets very closely wrapped up with issues of that singularity.
威尔:我们很多人都看过像《星际穿越》这样的电影，它在黑洞如何影响时间方面做得很好。据推测，这一切都与巨大的引力有关。但用你自己的话来说，黑洞是如何扰乱我们对时间的概念的?
克里斯-是的。所以黑洞确实以一种非常有趣的方式扰乱了时间。从根本上说，当你接近黑洞时，时间开始变慢。这是什么意思?这意味着如果你离黑洞很远你看到一个朋友进入黑洞或接近黑洞，你可以看到他们随身携带的时钟，你开始看到他们的时钟运行得更慢你开始看到他们变老得更慢。他们当然不认为有什么问题。他们觉得时间过得很正常。但如果他们看着你，他们会看到你的时间过得很快，他们会看到你衰老得很快。这就是理论告诉我们的。事实上，考虑视界的一种方式是，这是一个不回头的点，所有这些效应都变得越来越强，直到你到达视界。 And then if you're looking from the outside, that's the point where time basically seems to stop. If your friend is right at the event horizon, you see them basically frozen in time.
如何找到黑洞
詹姆斯·南丁格尔，杜伦大学
现在我们知道了我要对付的是什么，我们需要知道在哪里可以找到黑洞。第一个有记录的黑洞是在1971年，从那以后我们发现了几十个。但如何在一个几乎是黑色的宇宙中发现黑洞呢?好吧，也许你可以问问做过这种事的人。达勒姆大学的物理学家詹姆斯·南丁格尔博士最近发现了一个超大质量黑洞，其质量是太阳的330亿倍，他谈到了发现黑洞的不同方法。
詹姆斯:我们发现黑洞的方法有很多种。我将特别关注一些最大黑洞的发现，它们被称为超大质量黑洞。这些最早是在20世纪70年代发现的当时我们开始观察银河系附近星系中心的恒星。所以如果一个星系离银河系很近，我们可以把它所有的恒星都分解成小的点源，我们可以测量这些恒星的速度，这样我们就可以确定这些恒星离开我们的速度有多快，或者向我们靠近，我们可以在几年甚至几十年的时间里监测这些速度。我们在20世纪70年代基本上发现的是，在这些附近星系的中心，恒星的速度突然增加。当一颗恒星穿过或靠近星系中心时，它就会开始加速。对此唯一的解释是一定有什么东西使恒星加速某种强引力场，运用牛顿第二定律，使恒星向它们靠近，这最终决定了，一定是巨大的黑洞，几百万倍于太阳的质量导致恒星以这种方式加速。
威尔:所以这不是直接看到它们，而是能够从我们看到的物体的运动中推断它们。
詹姆斯-没错。很明显，你不可能直接看到黑洞，我不认为我们发现黑洞的所有方法，所有天文学家断言它们存在和测量它们质量的方法都依赖于，通常依赖于它们强烈的引力场，产生连锁效应或后果，这就是我们观察到的。所以在这种情况下，是黑洞的引力场改变了它周围恒星的轨道。基本上，我们推断黑洞存在的所有方法都与黑洞强烈引力场的连锁反应有关。
威尔:就像你说的，如果我们试图找到比银河系内部更遥远的东西，就会有一点分辨率问题。我们现在在做什么来寻找更远的黑洞呢?
詹姆斯:为了推断这些黑洞的存在，我们必须寻找一种不同的现象。在星系的中心，我们说过，存在超大质量黑洞它们有时会以星系中的物质为食。它们处于所谓的活跃状态。所以这些星系中心的超大质量黑洞，它们可能会吞噬周围星系中的恒星。它们可能会吃掉它的气体，它们可能会吃掉它的尘埃，它们甚至可能会吃掉星系内的其他黑洞。关键是它们把星系的所有物质都带到了中心因为它们的引力场把所有这些东西都带进来了，基本上星系中心的这些物质开始经历强烈的摩擦，强烈的加热，因此开始在星系中心的整个电磁波谱中发射出非常明亮的能量。所以在一小部分星系中，我们在它们的中心观察到非常明亮的辐射，这当然表明黑洞在那里。
威尔:所以在寻找黑洞时，我们寻找的是我们能看到的最轻的部分，这几乎是矛盾的。
詹姆斯，我认为你在这里一定要小心因为尽管众所周知黑洞是不可见的，众所周知黑洞不发光，但它们也是宇宙中最亮的东西，但它是在视界之外的东西，但仍然非常非常接近黑洞。所以这实际上并不是一个悖论，只是我们看到的东西稍微超出了中心超大质量黑洞的视界。
威尔-你最近发现了你自己的超大质量黑洞。你是怎么发现你的呢?
詹姆斯:我和我的团队发表的论文使用了一种叫做引力透镜的技术，这实际上是第一次用这种技术发现黑洞的质量，或者说是黑洞的质量。所以引力透镜是一种现象，基本上，当一个遥远星系的光穿过宇宙时，想象一下光子的光线穿过宇宙。光线的路径会受到沿途遇到的任何质量、引力场或其他星系的轻微扭曲和偏转。这将导致光线稍微向这些星系靠近。通过哈勃太空望远镜，我们发现了这个奇妙的引力透镜，我们观察到它有四种不同的光线，这些光线都被另一个星系扭曲，偏转和扭曲，而这个星系正好在它的前面。但是这个引力透镜的特别之处在于其中一束穿过宇宙的光线，其中一束光子的引力透镜恰好靠近另一个星系的中心这个星系产生了引力透镜。它在离星系中心如此之近的地方移动不仅被星系内的恒星偏转，而且星系中心的黑洞也造成了光的额外弯曲，这是引力透镜效应的额外贡献。所以我们基本上是用哈勃望远镜观察到这个星系的图像它被宇宙中的物质扭曲了，扭曲了，弯曲了我们唯一能解释它的方法就是存在一个巨大的330亿太阳质量的星系。这是这个星系中心太阳黑洞质量的330亿倍，而这个星系中心刚好是轻质点经过的地方。
当然，纯粹是假设，如果有人希望去黑洞进行研究，你会建议他们前往星系中心寻找最亮的地方吗?那是你最好的选择吗?
詹姆斯-我是说，是的，我想是的。我认为黑洞越小，它的引力场变化就越快。所以如果你进入一个只有太阳几倍质量的黑洞，你会被撕成碎片，或者被撕成意大利面，这是常用的术语。随着黑洞变大，引力场的变化速度会慢得多，或者说变化速度会慢得多，这意味着你可能会掉进像我发现的这个这么大的黑洞，而不会被强烈的引力撕裂。别误会我的意思，你可能会有很多其他非常糟糕的后果要处理，但至少重力本身对人类来说可能是可以忍受的。所以我强烈建议，如果你要去黑洞的中心旅行，一定要选一个最大的。
如果你掉进黑洞会发生什么?
埃德·布卢默，格林威治皇家天文台
是时候跳进黑洞了。我现在已经为我的未知之旅做好了充分的准备，现在我从一个超大质量黑洞的外面来到你们这里。我选择了“人马座A”，即银河系中心的超大质量黑洞。它的质量是400万个太阳，我稍后会解释为什么我选择这个，但现在我们先这么做。
威尔-效果开始缓慢。这么大的黑洞可能在数百万英里的范围内对我产生了轻微的引力影响。尽管到目前为止，我还能逃脱它。逃逸的机会，无论如何，越靠近黑洞的轨道就越少。当然，距离有多近才会产生明显的引力，这取决于黑洞的大小。我想起了格林威治埃德·布卢默皇家天文台的至理名言……
我试着做一些秘密的计算，我研究的是一个质量是太阳两倍的黑洞，因为这是传统上用超新星制造的黑洞的下限。一旦你在550万公里之外，那么你的身体受到的引力就和你现在在地球上感受到的差不多。因为黑洞的存在，你会觉得自己的体重是标准地球引力的一倍。
然而，这个黑洞的大小是那个的很多很多倍。所以类似地球引力的感觉是从很远的地方开始的。池子在增加，感觉我开始加速了。
艾德:这是引力本身的性质。你离有引力的物体越近，这个池子就越强，这会让人加速。
更多的时间过去了，虽然没有我们在地球上度过的那么多时间，因为时间膨胀太大了。这里的一分钟相当于地球上的700年。很抱歉这封信发晚了。物理学现在开始变得非常古怪，因为光绕黑洞旋转。如果我环顾四周，也许能看到我的背影。银河系中最亮的物体现在可能是我的秃头，但我可以感到安慰的是，任何观察我的错误的人也看到了一些相当奇怪的东西。
艾德，我不想靠近这个黑洞。假设我看着你掉进去。从我的角度来看，我认为你在放慢速度，时间本身也在以不同的速度流逝。事实上就是这样。同时引力红移也在发生。黑洞巨大的引力意味着这些电磁辐射波，无论是无线电还是你用手电筒照我什么的，它们被拉伸成越来越大的波强度。所以实际上，你不仅仅是在改变颜色，最终你的无线电信号会被拉长到我无法接收到你的任何信号，也看不到你了。最终你也会失去视力。
威尔-干得好。我正在用手持设备录下这段视频。然后我终于到了无法回头的地步。如果我是由光构成的，这就是视界或者史瓦西半径。但考虑到我没有，而且我的浴室秤也告诉我，它在更远的地方，
艾德:有一个点，你不能保持一个稳定的轨道。这取决于具体情况。我们假设在最好的情况下是史瓦西半径的4.5倍，人们倾向于认为这是最后一个停止点，但实际上是它的4.5倍。在这个点上，你将无法阻止自己落入黑洞。
威尔——越过这一点。然后是视界，来自中心奇点的引力合力将我拉开。引力和我的头和脚之间的距离的差异是如此之大，以至于我将被拉开。把黑洞的中心想象成一个管子，黑洞越小，我被挤出的管子就越小。这叫做意大利面化。这听起来是一种残酷的结局。在较小的黑洞中，情况就是这样。这就是我选择超大质量黑洞的原因。
当黑洞中有更多的质量时，黑洞的大小就会随着质量的增加而增大。这意味着当你有非常非常大质量的黑洞时，梯度对你来说会更温和一些。理论上，取决于黑洞的质量，如果你有真正的大质量黑洞，你可以有一个足够温和的梯度，以至于意大利面不会是你的终点，这意味着你实际上可以非常接近事件视界。但我认为它只有地球引力的25倍。
威尔，地球引力的25倍根本不算什么。因此，假设我在挤压中幸存下来，我很好奇我将如何结束自己的生命。
艾德:这取决于黑洞还在做什么，因为事实上，当其他物体落入黑洞时，它们会加速，产生x射线，甚至伽马射线。所以事实上，如果其他尘埃云之类的东西，小粒子落入黑洞，可能在你身体的实际力学出现问题之前很久，你就已经被黑洞的伽马射线轰击了。所以我担心，辐射可能会杀死你。
威尔:所以我很可能是一块全熟的牛排，而不是一块意大利面。假设这两种情况都没有发生，我就会进入黑洞的圈子，被黑洞吞噬。宇宙的其余部分现在看起来只是一个遥远的光圈，正在迅速褪色。我之前提到过物理学很古怪，但现在它开始超速行驶了。由于奇点引力的性质，现在每个方向都向内。当我们进入奇点时，任何离开黑洞的尝试都会让我离中心更近。接下来会发生什么是有争议的。这取决于你认为黑洞是完全摧毁了它所吸收的物质还是只是将其压缩到接近无穷大。但无论如何，我被剥夺了我的存在，组成我存在的原子被粉碎并连接到无限密集的点。我变成了黑洞的一部分。
黑洞和白洞
Carlo Rovelli，光体理论研究中心
目前，白洞是一种理论，如果一个物体可以存在，但没有任何东西可以从中逃脱——也就是黑洞——那么就可能存在某种东西，但没有任何东西可以进入。如果你认同黑洞不会破坏信息的理论，那么可能有一种方法可以让信息回来。也许我们理解这一点的最佳机会在于即将出版的《白洞》一书的作者、理论物理学家卡洛·罗维利。
卡罗-什么是白洞?它是一个黑洞，就像你可以把它拍下来，然后倒着放。这就像是一个黑洞回来了。所以这里的想法是，白洞可以像一个落在地上的球，然后反弹起来。所以所有掉进去的东西都会反弹，然后从白洞出来。
威尔:那白洞是怎么形成的?它只是一个黑洞，几乎坍缩在自己身上，然后，找不到更好的词，再次向外爆炸?
卡洛:对，没错。想象黑洞的一种方式是，黑洞内部有一个视界，一个表面。我们在黑洞的外面看到的东西，但在里面有一个很长的管道，它变得越来越长，越来越长，越来越窄，直到它非常窄以至于量子效应使它反弹回来。所以这个长管子又开始变粗变短。所以这个管子的形成反射回管子本身，从外面看就是一个白洞。首先我们看到的是视界，所有的东西都落进去，然后我们看到白洞，这是相同的视界，在天空中相同的位置，如果你想要的话，是相同的恒星。但现在的视界不是所有东西都只能进去，而是所有东西都只能出去。所以里面的东西可以弹出来，这就是白洞。
什么会导致黑洞在量子意义上翻转，开始把东西扔出去?
卡罗:量子力学告诉我们的关于这个世界的一件事是，许多我们认为连续的东西实际上是颗粒状的。所以光是由光子产生的。它不是一个连续的波，它只是一些颗粒，也就是光子。如果将量子力学应用于空间本身，它告诉我们空间是颗粒状的。所以黑洞不能把物体压缩到无穷大。没有无穷小。当你到达最小尺寸时，当你到达最小尺寸时，可以这么说，下降被阻挡了。你不能再摔倒了，它必须停止。当物体停止下落时，通常会反弹。如果你想黑洞是爱因斯坦方程的一个解，我们对它的理解很好，除了它们是如何结束的。 And white holes are a solution of Einstein equations that we understand very well except how it starts. So it's extremely plausible to imagine that when a black hole ends, that's exactly the quantum position to a white hole being born.
它会喷出什么样的物质?它会被认出来吗?它只是纯粹的能量吗?我们会看到什么样的东西呢?
卡罗:我们会认为它释放出来的只是普通的物质辐射，更有可能是电磁辐射。对于落入黑洞的物质来说是无法辨认的因为落入黑洞的物质会被可怕地压扁。计算表明，可能产生的是能量非常低的辐射。比如能量非常非常低，频率非常低的光，这就是信号之一。这样的事情有很多。这可能是另一个信号，人们可以通过搜索来确定这个物体的存在。
在这一点上，我们必须强调，我们还没有真正观察到白洞。目前这些都是理论上的。但这仅仅是因为我们还不知道要寻找什么吗?
卡洛-不，不止这些。我们不知道这种情况是否正确。我们不知道宇宙中是否存在白洞。我们必须记住，近一个世纪以来，黑洞是由广义相对论预测的，许多人不相信黑洞的存在。这是一个悬而未决的问题。当我还是个学生的时候，我研究黑洞，我的老师在我的课本上说，嗯，这些东西在宇宙中存在是不可信的。所以我们现在和白洞处于同样的情况。它们是由生成论预言的，但我们不知道它们是否存在于宇宙中。对我来说，这似乎很合理，黑洞的终结就是白洞的诞生，这似乎也很合理。但在我们真正看到它们或看到它们的影响或结果之前，我们必须将白洞假设视为一种想法。
有很多关于白洞和黑洞以及它们之间关系的理论。其中之一就是宇宙中不存在白洞。它们存在于另一个宇宙中，在黑洞和白洞之间存在着某种形式的门。你同意这个理论吗?还是你认为另有隐情?
卡洛-我觉得还有别的事。我认为当黑洞消亡时，会发生三件事。一种是一切都神奇地消失了，但这对我来说似乎不太可能。第二种可能是它最终进入了另一个宇宙。在某种程度上。它创造了另一个宇宙。这是一个美丽迷人的想法，但对我来说似乎不太可信。我的意思是，创造另一个宇宙可能不像坍缩一颗恒星那么简单。第三种可能性就是，任何掉进去的东西都可以出来因为黑洞变成了白洞。黑洞形成的整个过程蒸发，然后形成白洞，然后出来就像一个球，落在地上，然后弹起。 One of the fascinating aspects of this story for me is that in general activity, time goes at a very different speed. As we know, time goes faster in the mountains than near the sea on earth, but that's a tiny difference. Now, if you work out the speed of time inside the black hole and the white hole is enormously lower than outside. So the process seen from the outside of a star collapsing and then becoming white hole and coming out may last billions of years. But if you fall inside, it takes just a few seconds or minutes for you to get to the center and come out as a white hole. So black hole to white hole might be just like a shortcut to the very distant future. If you survived, you wouldn't be washed by the enormous forces inside the black hole. You could just jump to the black hole and come out from a white hole. But very, very far in the future, millions or even billions of years in the future.
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