

如果你在网上搜索“黑洞”,至少有一个热门结果会声称告诉你如果一个人掉进黑洞里会发生什么。
但为了节省你大量的时间和徒劳的阅读,简短、诚实但可能最不令人兴奋的答案是,没有人真正知道。别担心。科学家们有一些有根据的、尽管是令人费解的想法,关于可能发生的事情。然而,要理解它们,你首先需要掌握一些关于黑洞的基本概念。
什么是黑洞?是什么让它们如此奇怪?
拿起你身边的小物体,比如一支铅笔。拿到了吗?恭喜你,你刚刚赢得了与地球整个引力的斗争。“引力是所有自然力中最弱的一种,”天文学家和美国宇航局天体物理学家Roopesh Ojha说。
尽管引力可能很弱,但它却统治着整个宇宙。如果你把刚才拿的笔扔向空中,它会很快掉下来。但在宇宙中有一些地方,这种引力比地球上的引力几乎强无限倍——如此强大,以至于连光都无法逃脱它们的束缚:这就是黑洞。这些天体极其致密,引力如此之强,以至于任何东西都无法抵抗它的吸引。
“小时候,我就是这样理解黑洞的:它们的引力如此之强,如果你靠得足够近,没有任何火箭能把你带出来,”Ojha说。
如果我离黑洞太近会发生什么?
现在,地球对你身体离地面最近的部分施加的引力稍大一些。你感觉不到或看不到这种称为潮汐力的作用,因为相对于宇宙的大小,地球并没有那么大。因此,引力也不是那么强。
但是,由于黑洞的质量大得多,那里的潮汐力比地球上的要强得多。“如果你是一名宇航员,脚先朝黑洞坠落,”Ojha解释说,“你脚上的引力比你头上的引力要强得多,所以你坠落的方向,你会(被潮汐力)拉伸。”这个过程的真实天体物理学术语相当直观:意大利面化(spaghettification)。
在意大利面化之后,任何进入黑洞的东西——无论是恒星、尘埃、行星,还是不幸的宇航员——都已经越过了被称为事件视界(event horizon)的看不见屏障,也就是“不归点”。在那之后,我们只能根据猜测来推测会发生什么。
黑洞之谜
事件视界之外存在着所谓的奇点(singularity):一个无限致密的点,空间和时间在那里扭曲并停止存在。它们是时空中质量高度集中的极小区域。在这种条件下,爱因斯坦为引力创立的方程就失效了,哈佛大学黑洞倡议(Black Hole Initiative)的主任Avi Loeb说。
像奇点这样的物体可以用量子力学来解释。问题在于,量子力学中粒子的行为方式与爱因斯坦广义相对论中物体的行为方式截然不同。因此,黑洞的内部是一种矛盾:一个引力极其强大的地方,但又只能通过量子力学来理解。一个世纪以来,科学家们一直在寻找“万有理论”。用Ojha的话说,“黑洞代表了当前物理学中最大的问题。”
据哈佛大学量子引力教授Daniel Jafferis说,目前大多数假说——数量不计其数——在数学上都是可能的。但这并不意味着所有这些解决方案都在实际发生。所以请记住:你在此之后读到的任何内容都是可能的,但不一定真实。
如果我进入黑洞,那真的是我的终结吗?
以你现在的物理形态,是的。但从更深的意义上讲,也许不是。多亏了斯蒂芬·霍金,我们知道黑洞会发出辐射,导致它们缓慢缩小直到消失。
但如果黑洞最终消失,它们就违反了量子力学的一条原理,那就是信息——区分宇航员粒子和恒星粒子的东西——永远不会消失。如果黑洞最终会消失,那么它们在数十亿年存在期间吞噬的信息去了哪里?
Daniel Jafferis 和其他人认为信息会通过所谓的霍金辐射逃逸。在事件视界(意大利面化后那个看不见的“不归点”)附近,物质运动速度极快,温度和辐射水平都很高。在那里,质量分解成最基本的形态:量子粒子。这些粒子成对存在,它们在量子层面是“纠缠”的。
信息悖论的一个解决方案是,即使粒子对中的一个落入黑洞,另一个粒子对也可以逃逸,并将信息带回宇宙。
根据这个理论,如果一个不幸的宇航员进入了黑洞,他们的一些量子信息最终会以霍金辐射的形式被排出。这些微小粒子中的每一个都与未能逃脱黑洞的信息部分在量子层面紧密纠缠。
Jafferis 用篝火和一本书来解释这个概念:想象你烧了一本书。你无法再阅读书页上的信息,但信息以另一种形式存在:它变成了散落在天地之间的灰烬和烟雾。但它仍然存在。
“这是一个非常优雅的解决方案,”美国宇航局的Ojha说,“但我们仍然不知道它是否是真的。”如果它是真的,它将与爱因斯坦的理论相矛盾,后者认为任何东西——即使是带有信息的微小量子粒子——都无法逃脱黑洞的引力。

还有哪些理论可以解释黑洞内部可能发生的事情?
一些科学家认为,我们所知的3D现实并非宇宙存储信息的唯一方式。根据他们的理论,如果有什么东西掉进了黑洞,它既可能在奇点(空间和时间变得奇怪的地方)被扭曲,又可能作为辐射留在事件视界之内。从这个角度来看,黑洞的事件视界实际上是一个壳,是宇宙中一个存储信息、但看起来是3D的二维平面。
科学家们用全息图的类比来解释这一点:全息图是存在于二维空间的信息的3D表示。而且,在更大的尺度上,这个理论可能意味着任何东西都没有“内部”:换句话说,整个宇宙可能是一个全息图。
这是一个令人费解的概念,但还有更奇怪的
另一种理论认为,每个黑洞的尽头可能是一个白洞,一个你永远无法进入,只能离开的地方。在白洞中,时间会倒流,质量不是质量,而是它的精确对立面。这是一个鸡蛋可能会破镜重圆的地方——科学家们在宇宙中从未见过这样的地方,但理论上,这可能是可能的。
对一些人来说,白洞理论和全息原理都违反了爱因斯坦的一些核心思想,而其他黑洞的解决方案,比如虫洞,也存在同样的问题。
“问题是,如果你继续在那里使用广义相对论方程,那么,你基本上就违反了这些方程,”Ojha说。
那么我们最终会弄清楚吗?
当被问到这个问题时,天体物理学家们倾向于笑,并指出我们可能永远不知道——或者可能需要很长时间。哈佛大学的Avi Loeb回答说:“一百年来,我们一直未能统一量子力学和引力。所以,推断到未来,我认为至少需要几百年。”