我們是否生活在黑洞裡？黑洞外面還有宇宙嗎 ？

歡迎收看老明的頻道 黑洞是宇宙中最神祕的物體 黑洞的中心有一個無法解釋的起點 起點這個詞在天文學中一共出現過兩次 一次是黑洞 還有一次就是宇宙大爆炸 既然都存在着起點 黑洞會不會就是宇宙 宇宙會不會就是黑洞呢 我們是不是就生活在黑洞裏呢 有關黑洞的祕密 咱們還得從頭說起 天文學家認爲 黑洞是恆星爆炸之後的產物 但並不是所有的恆星爆炸之後 都會變成黑洞 目前比較流行的觀點是 恆星在爆炸之後有三種狀態 第一種是白矮星 當恆星的質量在0.5到8個太陽質量之間 它爆炸之後就會形成白矮星 第二種是中子星 當恆星質量在9到25個太陽質量之間 爆炸之後就會形成中子星 第三種就是黑洞 當恆星的質量大於25個太陽質量的時候 爆炸之後就會形成黑洞 太陽的質量非常大 是地球的33萬倍 25個太陽加在一起質量就更恐怖了 這麼大質量的天體在爆炸之後 外圍的一圈全部都拋出去了 只剩下核心的部分 在自身重力的作用下快速的收縮 塌陷 這個時候中子間的強作用力也不起作用了 最後就產生了黑洞 黑洞起點的密度高到難以想象 根據廣義相對論的說法 大質量的天體會使周圍的時空彎曲 但是在起點上就不只是彎曲了 而是時空曲率接近於無限 咱們看一下這張圖就理解了 所謂時空曲率無限 就好比起點挖出了一個無限深的坑 這個坑沒有底 所以在這個點上光都跑不出來了 那光去哪了呢 有一種說法 因爲黑洞的引力太大 它把時間扭曲成了一個空間維度 所以光可能回到了過去 也可能去未來了 這也是我們在黑洞外面看不見光的原因 因爲光掉進黑洞後 就不在現在的時空裏了 如果光掉進了一個原初黑洞 什麼是原初黑洞呢 就是宇宙大爆炸最初幾億年形成的黑洞 那麼光就有可能回到100多億年前的時空裏 咱們得提前聲明一下 其實這些都是猜想 因爲廣義相對論在起點上是失效的 就是最權威的科學家 也不知道黑洞到底發生了什麼事 但是有關黑洞的描述 又不是完全沒有科學依據的 人類是怎麼發現黑洞的呢 這個發現過程最開始是用數學來預測的 1915年 愛因斯坦發表了廣義相對論 在幾個月後 有一位德國的物理學家卡爾史瓦西 通過愛因斯坦的敞方程 計算出了第一個精確解 這個公式就長成這個樣子 史瓦西發現當r等於0的時候 這個公式會產生一個起點 在這個點上 時空的曲率無限發散 史瓦西說 宇宙中可能存在着一種魔球 任何一個經過魔球的人會立刻被引力吸進去 甚至光線也不能逃離魔球 幾個月後他就去世了 所以他也沒能進一步闡述他的發現 很快其他科學家就發現 這個方程裏並不是只有一個解奇怪 而是有兩個方程解都很奇怪 一個是r等於0的時候 還有一個是r等於rs的時候 這表示這兩個解似乎都是起點 一個黑洞怎麼可能有兩個起點呢 科學家們用了幾十年的時間才搞明白 原來這兩個解代表了黑洞最神祕的兩個地方 起點和事件世界 所謂事件世界是指黑洞最外圍的一個球形的邊界 外面的觀察者無論如何也不能觀測到世界中的任何事情 這也很好解釋 因爲黑洞裏面的引力大到光都逃不出來 當然黑洞外面的觀察者就看不見裏面發生了什麼 但是問題來了 如果黑洞引力這麼大 會不會把它周圍的一切都吸進去呢 如果離太陽系不遠有一個黑洞 那太陽系是不是就會大難臨頭了呢 還真不是這樣的 別說在太陽系之外了 就是太陽系裏有一個小黑洞都不怕 舉個例子 根據史瓦西半徑的方程式 把地球壓成一個直徑9毫米的小球 就會形成一個小型的黑洞 這個小黑洞仍然會圍繞着太陽進行公轉 但是此時如果太陽系裏還有其他的智慧生命 它們馬上就會發現月亮有點古怪 似乎在圍繞着一個大質量的點在做公轉 如果外星人的科技水平很高 它們就會計算出那是因爲在月球的軌道中間 有一個微型的黑洞 這說明了什麼呢 這說明黑洞起點所能影響的最大範圍 就是史瓦西半徑的邊界 所以不用擔心 除非是物體與黑洞相撞 要不然黑洞是不會把周圍的物體吸進去的 我們再來聊一聊真正的天文觀測 有這麼幾個證據 證實了黑洞真的存在 第一是引力透鏡現象 在我前面的節目裏 講過人類發現第一個引力透鏡的故事 那也是一次很偶然的發現 天文學家在對大熊座進行觀測的時候 發現了兩個長得一模一樣的星系 我們聽說過孿生姐妹 但是從來沒有聽說過孿生星系 科學家們感到非常的驚奇 經過仔細研究就發現了引力透鏡 因爲在遙遠的星系與地球之間 有一個看不見的大質量天體 光經過這個天體會折射出多個成像 就像透鏡成像的原理一樣 所以說根本就沒有孿生星系 只是一個星系的兩個成像 天文學家們推斷 中間的這個大質量天體就是黑洞 第二個是類星體 類星體是宇宙中非常神祕的一種現象 類星體的本質是極度明亮的星系核 也就是星系的核心 這些類星體非常有可能就是黑洞 黑洞不是黑的嗎 怎麼會產生這麼明亮的光線呢 原來這些黑洞正在不斷的吞噬物質 比如恆星 有一部分恆星物質圍繞在黑洞周圍 形成了一個高速旋轉的巨大的吸積盤 就會產生大量的光 在吸積盤內側靠近視界的地方 吸入的物質會產生巨大的能量輻射 又形成了物質噴流 這些就是類星體發出的光 近十幾年來 天文學界有一種新的理論模型 認爲每一個星系的中心 都有一個特大質量的黑洞 像我們銀河系中心就有一個類星體 這個黑洞叫人馬座A星 人馬座A星的直徑估計可能有4400萬公里 我們太陽的直徑是140萬公里 這個黑洞的直徑相當於太陽直徑的31.5倍 質量相當於410萬個太陽的質量 410萬個太陽 聽着這個數字就覺得很嚇人 但其實人馬座A星不算是一個特別大的黑洞 對於一位銀河系人來說 這絕對是一件好事 如果銀河中心有一個特別大的黑洞 大量的宇宙射線就會照射在地球上 也許生命就不會產生了 有關類星體 其實還有其他的各種模型 比如說白洞假說 反物質假說等等 但是最主流的說法 還是認爲類星體就是一種黑洞 那人類有沒有真正觀測過黑洞呢 還真有 那是在2019年的4月10日 全球32個國家和地區的科學家和工程師共同合作 拍攝到人類歷史上觀測到的第一個黑洞 橢圓星系M87的銀星 這個黑洞非常大 是銀河系銀星的1000倍 這張照片非常的珍貴 它顯示出M87黑洞的事件世界周圍有光環 說明它正在吞噬物質 我們可以看一下計算機的模擬 一顆恆星試圖逃離黑洞的吞噬 但它正在被黑洞撕碎 如果把這張照片放大 還能看到中間的相對論噴流 M87超大質量黑洞的發現 是天文史上的一個壯舉 因爲它確定了黑洞的存在 說明史瓦西的方程解 在宇宙中的確有對應的實例 這真是一種特別奇妙的感覺 僅僅是通過愛因斯坦的數學方程 就能預言宇宙中存在着什麼物質現象 或者發生了什麼事 愛因斯坦的確不愧爲人類歷史上最偉大的科學家 黑洞的存在證實宇宙中真的存在着奇點 其實這個發現也反證了宇宙 是從奇點大爆炸開始的 天文學家提出了一個更有意思的問題 我們的宇宙會不會就是一個大黑洞呢 解答這個問題還真有一個辦法 可以用史瓦西的方程來計算一下 天文學家估計宇宙的總質量是10的54次方千克 代入方程計算出史瓦西半徑爲1500億光年 我們現在可觀測宇宙的實際半徑是465億光年 1500大於465 所以我們的宇宙的確有可能就是一個巨大的黑洞 下一個問題來了 如果宇宙是一個黑洞 那麼奇點在哪呢 根據目前的觀測 宇宙的時空曲率非常接近於0 也就是說宇宙看上去就像是平的 如果宇宙有奇點 我們應該觀測到一處非常古怪的時空區域 但是無論我們向宇宙的哪個方向看 都沒有發現這種區域 所以科學家傾向於認爲宇宙沒有奇點 但這並不是最終的結果 因爲宇宙的瓦西半徑高達1500億光年 有可能我們處在宇宙的邊緣 離奇點太遠了 永遠也看不見奇點 那麼就不能排除宇宙是一個黑洞的假想了 在節目的最後 我們再來介紹一個更有想象力的猜想 著名物理學家霍金有個理論 他認爲黑洞有可能被蒸發掉 這個理論叫霍金輻射 如果黑洞完全被蒸發了以後會怎麼樣呢 有人認爲事件事件就不見了 黑洞會留下一個裸露的奇點 裸露的奇點長成什麼樣子呢 有的科學家說 黑洞裏的時空曲率就會變爲0 時空就會變成平直的 平直的時空聽上去多耳熟啊 那不就是我們的宇宙嗎 說來說去啊 原來我們的宇宙很可能就是一個蒸發了之後的黑洞 這就是宇宙的真正面目嗎 沒有人能夠給出確切的答案 但是根據目前的觀測 宇宙的確有點像蒸發後的黑洞 宇宙裏頭有黑洞 黑洞裏頭又有宇宙 就像是套娃一樣 成爲了一種因果的循環往復 所以科學家說 我們的宇宙不是黑洞 宇宙大爆炸可能產生於白洞 白洞又是什麼呢 那是一個更加離奇 也更加震撼的理論