解答黑洞的幾個有趣問題

第一個問題，黑洞能用來穿越嗎？很遺憾，黑洞并不能讓人穿越時空。你可能在科幻電影里看到過穿越黑洞的情節(jié)，但那只是藝術(shù)想象。真正理論上可能連接不同時空的，是另一種叫“蟲洞”的東西。但蟲洞是否存在還沒有定論，而且要讓蟲洞穩(wěn)定存在，需要一些違反已知物理定律的條件，比如“負能量物質(zhì)”——這在現(xiàn)實中基本不可能。所以，通過黑洞穿越基本只能存在于科幻作品中。現(xiàn)實中的黑洞更像一個有去無回的終點站。
第二，如果掉進黑洞會發(fā)生什么？這個問題的答案可能會讓你不太舒服——下場會很慘！黑洞強大的潮汐引力會把人像拉面條一樣拉長撕裂，最終不可避免地墜向黑洞中心，在奇點處被壓縮得無影無蹤。而且一旦你跨過黑洞的“事件視界”，就注定有去無回。更奇怪的是，對于外面的觀察者來說，你的時間會變得無限緩慢，身影逐漸暗淡消失，仿佛永遠停留在黑洞邊緣。總之，掉進黑洞就是一張單程票，沒有任何存活或返回的可能。
第三個問題，我們開頭提過一嘴，霍金針對黑洞提出過一個理論，叫“信息悖論”，那么，什么是黑洞的信息悖論呢？這個問題有點燒腦，但非常有意思，也是當今物理學的重大難題之一。按照霍金的理論，黑洞會緩慢輻射能量，最終可能完全蒸發(fā)消失。問題來了：如果黑洞徹底蒸發(fā)了，那么原先掉進黑洞的一切信息會不會也隨之消失？廣義相對論不關(guān)心信息去哪了，但量子力學有個基本原則：信息是守恒的，不會無緣無故消失。打個比方，你燒掉一封信，紙張變成灰燼和煙霧，表面上信息沒了，但這些殘留物中其實還是保存了信的內(nèi)容。可如果把東西扔進黑洞，再等黑洞蒸發(fā)干凈，似乎所有信息都被“抹除”了，這看起來違反了量子理論。而這就是所謂的“信息悖論”。
那么問題來了，黑洞的最終結(jié)局到底是毀掉了信息，還是有別的機制保存了信息？科學家們提出了各種假設(shè)。比如，有人認為黑洞最終不會完全蒸發(fā)，會留下攜帶信息的“殘余”；也有人認為信息可能被記錄在黑洞視界的量子效應(yīng)中，并沒有真正丟失。但這些想法目前都沒有實驗證據(jù)支持，信息悖論仍然懸而未決。這個謎題之所以重要，是因為它關(guān)系到引力理論與量子理論能否調(diào)和。或許，只有找到新的物理理論時，這個悖論才能破解。

而我相信，這個悖論的破解指日可待。因為黑洞的故事并沒有在2019年那張照片畫上句號，相反，那只是一個新的開始。事件視界望遠鏡團隊并不滿足于已有的成果。他們在2022年又公布了我們銀河系中心黑洞——人馬座A*的首張照片，這也是一項了不起的成就。不過由于銀河系中心的黑洞比M87的黑洞小得多，周圍物質(zhì)變化更快，成像難度更大。科學家們正在升級事件EHT望遠鏡，計劃增設(shè)更多望遠鏡站點，組建“下一代事件視界望遠鏡”。更多的天線和更先進的技術(shù)意味著我們可以獲得更高分辨率、更清晰的黑洞圖像。
科學家們甚至設(shè)想，未來能夠拍攝“黑洞電影”——通過連續(xù)觀測，制作黑洞周圍吸積的物質(zhì)隨時間變化的動態(tài)影像。想象一下，如果有一天我們可以觀看黑洞周圍熾熱氣流翻滾、噴射的實時畫面，那該多么震撼！為此，一些研究團隊還提出了把射電望遠鏡送入太空的計劃，與地面網(wǎng)絡(luò)聯(lián)手，進一步擴大虛擬望遠鏡的規(guī)模。如果這一步能夠?qū)崿F(xiàn)，我們也許能拍到黑洞更高清的特寫和視頻。而在過去幾年中，引力波探測也為我們打開了全新“聆聽”宇宙的窗口。自2015年首次探測以來，LIGO以及歐洲的Virgo、日本的KAGRA等引力波探測器已經(jīng)監(jiān)聽到數(shù)百次黑洞合并事件。未來幾年，這些探測器將持續(xù)升級，我們會“聽見”更多更遙遠的黑洞之歌。
更令人期待的是空間引力波探測計劃，比如歐洲的LISA探測器、中國的太極探測器等，將在太空中探測更長波長的引力波，有望捕捉到超大質(zhì)量黑洞合并時的時空漣漪。引力波天文學的蓬勃發(fā)展意味著，我們不僅能用“眼睛”看黑洞照片，還能用“耳朵”聽黑洞合唱，兩種感官結(jié)合將大大加深我們對黑洞的理解。
除了觀測突破，黑洞在前沿理論研究中也扮演著重要角色。正如信息悖論所揭示的，黑洞是引力理論與量子理論發(fā)生沖突的前沿地帶。科學家們將繼續(xù)鉆研黑洞的深層理論，希望找到引力與量子力學的統(tǒng)一之路。霍金輻射和全息原理等概念，都是在研究黑洞過程中誕生的。而一些前沿的物理學理論，比如超弦理論、圈量子引力，都可以以研究黑洞來驗證和修正。這些都將是物理學的重大飛躍，黑洞很可能是打開新物理大門的鑰匙。