黑洞是时光机吗?是的,但要实现“星际穿越”有个难题

The Conversation

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Sam Baron

Posted 5h ago5 hours ago

美国宇航局对黑洞的可视化显示,黑洞既不是黑色的,也不是一个洞。(Supplied: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman)

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黑洞形成了天然的时光机,可以让人穿越到过去或未来。但我们也不能指望很快就能穿梭回恐龙时代。

目前,我们还没有能让人类接近黑洞的航天器。但即使撇开这个小细节不谈,试图利用黑洞穿越到过去可能是你生命中最不想做的一件事。

什么是黑洞?

黑洞是一种极其巨大的物体,通常是在垂死的恒星自我坍缩时形成的。

像行星和恒星一样,黑洞周围有引力场。引力场是让我们留在地球上的原因,也是让地球围绕太阳旋转的原因。

根据经验,一个物体的质量越大,其引力场就越强。

地球的引力场使得进入太空极为困难。这就是我们建造火箭的原因:我们必须以非常快的速度来突破地球的引力。

黑洞的引力场非常强大,甚至连光都无法逃脱它。这非常厉害,因为光是科学界已知的速度最快的东西。

顺便说一下,这就是为什么黑洞是黑色的:我们不能像在黑暗中手电筒的光会从树上反射回来那样把光从黑洞中反射出来。

拉伸空间

爱因斯坦的广义相对论告诉我们,物质和能量对宇宙有一种奇怪的影响。物质和能量会弯曲和拉伸空间。一个物体的质量越大,它周围的空间就越被拉伸和弯曲。

巨大的物体在空间中创造了某种谷。当物体靠近时,它们就会落入谷中。

这就是为什么当你足够接近任何大质量物体,包括黑洞,你会向它坠落。这也是为什么光无法逃离黑洞的原因:谷两侧非常陡峭,光速不足以爬出去。

当你从远处接近黑洞时,黑洞形成的谷会变得越来越陡峭。其陡峭程度越来越大,以至于光都无法逃脱,这种情况被称为“事件视界”(event horizon)。

事件视界不仅对未来的时空旅行者来说很有趣,对哲学家来说也很有趣,因为它们会影响我们如何理解时间的本质

拉伸时间

当空间被拉伸时,时间也被拉伸。靠近大质量物体的时钟会比靠近质量小得多的物体的时钟走得慢。

与地球上的时钟相比,黑洞附近的时钟会走得非常慢。黑洞附近的一年可能意味着地球上的80年,你可能已经看过电影《星际穿越》(Interstellar)对此作出的解释。

这样黑洞就可以被用来穿越到未来。如果你想闯入地球的未来,只要飞到某个黑洞附近,然后返回地球。

如果你足够接近黑洞的中心,你的时钟将会变慢,但只要你不越过事件视界(event horizon),你仍然可以逃脱。(所谓的事件视界,指的是一种时空的曲隔界线,该视界中任何事件皆无法对视界外的观察者产生影响。在黑洞周围的便是事件视界。)

时间循环

怎么回到过去呢?这是事情变得真正有趣的地方。黑洞将时间弯曲的程度可以令时间卷回到自己身上。

想象拿一张纸,把两端连起来形成一个圈。这就是黑洞对时间的影响。

这造就了一个天然的时光机。如果你能以某种方式进入这个循环,物理学家称之为封闭的时间型曲线,你会发现自己在一个从未来开始、以过去结束的空间轨迹上。

在这个循环中,你还会发现因果关系很难理清。过去的事情导致未来的事情发生,而未来的事情又导致过去的事情发生!

不幸的是,你可能必须穿过事件视界才能进入时空循环。(Supplied: ESA/Hubble, ESO, M. Kornmesser)

问题是……

现在,你已经发现了一个黑洞,你想使用你的可靠的宇宙飞船穿越回去,并拜访恐龙。那么祝你好运了。

此行有三个问题。首先,你只能穿越到这个黑洞的过去。这意味着,如果这个黑洞是在恐龙灭绝后产生的,那么你将无法穿越到那么久远的时空。

第二,你可能必须穿过事件视界才能进入循环。这意味着要在过去的某个特定时间跳出循环,你需要退出事件视界。这意味着你的旅行速度必须超过光速,而这一点我们很确定是不可能的。

第三,这可能是最糟糕的,你和你的飞船将被拉伸变形,专业术语叫“意大利面化”(spaghettification)。听起来很美味,对吧?

可悲的是,这种经历并不美好。当你穿过事件视界时,你会被拉伸得像面条一样。事实上,你可能会被拉伸成只是一串盘旋在虚空中的原子。

因此,虽然思考黑洞的时间扭曲特性很有趣,但在可预见的未来,拜访恐龙仍将停留在幻想层面。

Sam Baron是澳大利亚天主教大学科学哲学专业副教授。本文最初发表在《对话》(The Conversation)上。

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