黑洞是不是一个洞?为什么科学家要说黑洞连接着另一个时空?

作为已知宇宙中最强大天体,黑洞想必是大家非常熟悉的了,然而假如有人问你,黑洞是不是一个洞?这似乎就不太好回答了,今天我们就来讲一下有关黑洞的知识。

通常来讲,我们可以把黑洞看成三维空间中的一个球体,其中心是一个体积无限小,密度无限大的奇点(Singularity)、半径被称为“史瓦西半径”(Schwarzschild radius)、球面则被称为“事件视界”(Event horizon),在这个球体之内,任何物质都无法逃逸出去。


黑洞是不是一个洞?为什么科学家要说黑洞连接着另一个时空?

顺便讲一下,黑洞自身的质量并不是想象中的无限大,从理论上来讲,任何具有质量的物体都有自己的史瓦西半径,只要其自然半径小于史瓦西半径,这个物体就可以成为黑洞。比如说我们地球的史瓦西半径约为0.9厘米,只要将地球的半径压缩到小于0.9厘米,地球就变成了黑洞。

现在问题就来了,既然黑洞是个球体,那为什么科学家要说黑洞连接着另一个时空?


黑洞是不是一个洞?为什么科学家要说黑洞连接着另一个时空?

1915年,爱因斯坦提出了著名的广义相对论,他指出引力的本质是时空扭曲,凡是具有质量的物质都会使时空发生扭曲,4年以后,英国科学家亚瑟.斯坦利.爱丁顿利用一次难得的日全食机会首次证实了爱因斯坦的正确性,时至今日,这一理论早已得到科学界的认同。


黑洞是不是一个洞?为什么科学家要说黑洞连接着另一个时空?

那么时空是怎么扭曲的呢?我们来举个例子,比如说我们可以把一张纸看成一个二维空间,当我们把这张纸弯曲的时候,对于处于三维空间的我们而言,就可以清楚地看到这个二维空间出现了扭曲,并且其方向也是确定的(向上或向下)。

请注意,在以上描述中,我们加入了额外的维度(上下)才可以解释二维空间是如何扭曲,但假如在这张纸上有一个根本无法感知第三维度的二维生物,那他有办法知道这张纸扭曲了吗?答案是肯定的。

这个二维生物可以在这张纸上画一个巨大的三角形,然后测量这个三角形三条边的曲率来判断这张纸是否弯曲。曲率是表明一条线在某个点上的弯曲程度的数值,曲率越大弯曲程度就越大,而如果这个三角形的三条边上的曲率均为零,则代表这个三角形所处的二维空间是平坦的。


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在广义相对论中,爱因斯坦是用“黎曼曲率”来描述时空扭曲的,这是一种与时空自身几何结构相关的内禀性质。同样的,我们可以通过与上述类似的方法来测量时空的曲率,从而判断出我们所处的时空是否扭曲,而不需要再加入额外的维度来解释。

根据广义相对论的描述,黑洞强大的引力其实就是它的奇点将时空扭曲到了极致,也正因为如此,即使是没有质量(静质量)的光也无法逃脱。


黑洞是不是一个洞?为什么科学家要说黑洞连接着另一个时空?

因此我们可以得出一个结论:在三维空间里,黑洞不是一个洞,它表现为一个三维的球体,而对于可扭曲的时空而言,黑洞确实是一个洞,它连接着另一个时空。看到这里肯定有人要问了:我们有没有可能利用黑洞来穿越时空呢?

通常来讲,任何物质进入了黑洞的事件视界,就会不可避免地坠入黑洞的奇点,再也无法逃逸出去。但世事无绝对,理论上来讲,有一种黑洞会帮助我们实现穿越时空的梦想。

“克尔黑洞”是新西兰物理学家罗伊.克尔(Roy.Kerr)在1962年提出的,这是一种由爱因斯坦场方程推导出来的另类黑洞,简单地讲,“克尔黑洞”就是一种具有极高自转速度的黑洞。


黑洞是不是一个洞?为什么科学家要说黑洞连接着另一个时空?

罗伊.克尔认为,高速自转的黑洞会产生与黑洞引力相反的离心力(注:离心力是虚拟力,其本质是物质惯性的体现),当这两种力达到平衡时,在这个黑洞的内部就会出现一个稳定的环状区域,这被称为“奇异环”,因此在某个物体进入这种黑洞时,它就不会被黑洞的引力干扰,而如果这个物体具有足够的速度(或动力),那么它就可能从这种黑洞的另一头逃逸出去,从而完成穿越时空的壮举。

值得一提的是,就算是我们拥有相当的科技,这种穿越时空的方式也是非常危险的,因为谁也不知道黑洞的另一头连接着一个什么样的时空……


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见`


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