2014年年底，有一部叫作《星際穿越》的電影火遍全球，它是英國著名導演諾蘭歷時多年拍攝成功的。這部電影上映后，在全球掀起了一股時空穿越的熱潮。電影講述了一位宇航員在面臨地球災(zāi)難、人類滅絕的時候，去深空（在地球大氣極限以外很遠的空間，包括太陽系以外的空間）探索，找到幫助人類建立第二家園的方法，最后成功將人類送到太空，使人類得以解救的故事。
>>>>
與好萊塢典型大片相比，這個故事本身是平淡無奇的，但是在主角們的探險過程中，他們卻經(jīng)歷了在平凡人看來很難以置信的事情。其中很多是天體物理方面的知識，比如蟲洞、黑洞，還有引力波等等。這些東西在一般人看來非常難以理解，所以作為這部電影的科學顧問，基普·索恩（Kip Thorne）教授還寫了一本名為《星際穿越》（The Science of Interstellar）的書，專門講解這些天體物理知識?；铡に鞫魇羌又堇砉ご髮W的頂尖教授，也是國際頂尖的天體物理學家。在電影的制作過程中，他提供了很多天體物理原型，并在特效公司的幫助之下，將這部影片打造成了2014年度最炫的電影，摘得奧斯卡最佳特效獎。
如果你看過電影，那么應(yīng)該記得當中最令人震撼的一幕就是黑洞以及黑洞周圍的吸積盤。今天，我就利用這短短的十多分鐘，帶領(lǐng)大家進行一場黑洞的時光之旅。
黑洞，光都無法逃逸的牢籠
什么是黑洞？在講黑洞之前，我要從中國的神獸貔貅講起。貔貅有什么特點呢？就是只進不出。在宇宙當中，有一個與貔貅非常類似的天體，它的名字就叫“黑洞”。它可以將在周圍的任何物質(zhì)都吸進去，甚至連光都無法逃脫。當我們能看到一個物體的時候，必須要通過一定的媒介，通常，這個媒介就是光。所以，當光都不能傳播出來的時候，我們就不能看到它。同理，當我們?nèi)タ春诙催@個物體的時候，因為光都不能傳播出來，所以我們看到的就只能是一個黑色的區(qū)域。而且，我們從各個方向去看黑洞的時候，都不能看到它，所以它應(yīng)該是一個球體。就像下面這幅漫畫里所說的，它是黑色的，它是一個洞，所以我們稱之為“黑洞”。
那么，黑洞的物理結(jié)構(gòu)是什么樣的？它其實相當簡單，由兩部分構(gòu)成，一部分叫作“視界面”。在視界面之內(nèi)，任何物體包括光都不能逃逸出來，但是要記住，這個視界面僅僅是一個虛擬的界面，并不是實實在在的球體。另外一部分就是視界面球體中心上一個叫作“奇點”的東西。
奇點是什么呢？人類對于奇點的認識是不斷變化的。在最開始愛因斯坦相對論出現(xiàn)以后，我們認為奇點就是一個質(zhì)量無窮大，但是又沒有體積或者體積特別小的天體。但是，隨著量子引力的出現(xiàn)，我們現(xiàn)在意識到它的中間有可能是有一定體積的，但是還是特別小。那么，奇點是什么形狀的呢？是一個點，還是其他形狀？在這里，我要指出一個所謂量子泡沫的東西，它就如我們現(xiàn)實生活中看到的肥皂泡一樣。奇點上有好多類似的泡沫，但是這些量子泡沫是由許許多多的彎曲空間所構(gòu)成的，而這也正是我們可以用來進行時空穿梭的媒介。
黑洞的結(jié)構(gòu)非常簡單，當然也正是因為其簡單的結(jié)構(gòu)，我們可以用很簡單的3個量去描述它，這3個量分別是質(zhì)量、轉(zhuǎn)動和電荷。我們知道這3個量以后，就可以完整地描述一個天體。因為只有3個量，所以我們通常稱之為“三毛定理”，有的時候為了簡單，我們就稱之為“無毛定理”。與它相比，周圍任何一個物體或者一個人可能都更為復雜，因為需要千千萬萬個參數(shù)或者量去描述，或者千千萬萬都不夠。
空間彎曲，“歲月了無痕”的良藥
黑洞是一個強引力的集合體，所以，對于黑洞的認識正體現(xiàn)了對引力的認識。從17世紀牛頓發(fā)現(xiàn)質(zhì)量有可能是引力產(chǎn)生的源泉以來，我們對于黑洞的認識也發(fā)生了巨大的變化。首先，如果質(zhì)量影響引力，那么我們就可以這樣想象：當質(zhì)量大到一定程度的時候，光可能就跑不出去了。如果把我們的地球壓縮到這樣的尺度，那是多大呢？簡單計算后我們發(fā)現(xiàn)其半徑為0.9厘米。現(xiàn)在地球的半徑是6400公里，從6400公里到差不多1厘米，要經(jīng)過了好幾億的尺度變化，所以可以想象它的密度發(fā)生了更為巨大的變化。
這是牛頓時代對引力的認識。到了愛因斯坦時代，這一認識又有了很大的不同。愛因斯坦在1915年（大約在100年前）發(fā)表了一篇論文，提出了廣義相對論，對引力有了完全不一樣的認識。他認為，引力是因為質(zhì)量對時空造成了彎曲，而彎曲的時空造成了引力場。在下面這幅圖當中，我們可以看到，在一張平直的薄膜上面，不同質(zhì)量的物體對于一個平面所造成的變形是不一樣的——重的物體的變形更大一點，而輕一點的變形則小一點。
我們也可以想象，空間是一張薄膜，如果沒有任何物體存在的時候，它就是一張平直的、沒有變形的薄膜。但是，當我們把一個天體，比如太陽、中子星，黑洞甚至更為致密的黑洞放到上面去的時候，它對空間所造成的變形就完全不一樣了。以下這張圖上就展示了各種天體對于空間所造成的變形。
而且，在對于引力的不一樣的認識中，我們才發(fā)現(xiàn)了時間的一些有趣現(xiàn)象。在愛因斯坦的廣義相對論中有一個很奇妙的結(jié)論：空間彎曲越大，時間流淌越慢。很多人都在追求所謂的長生不老或者永葆青春，所以如果我們能夠活在靠近空間彎曲更為強烈的地方，那么自然會消耗更短的時間。當我們觀看電影《星際穿越》的時候，我們看到當主人公庫珀回來的時候，時間幾乎沒有在他身上發(fā)生任何變化，而他的女兒卻已經(jīng)變成了一個老太太。按照物理法則來計算，他們在米勒星球的1小時相當于地球上的7年，這個時間一下子被拉伸了6萬倍。這是什么概念？合理的解釋就是，米勒星球其實更靠近空間彎曲更大的黑洞附近。
我們在神話故事當中經(jīng)常聽到有人說：“天上一天，地上一年?！蓖ㄟ^借鑒以上理論，我們就很容易解釋神仙所住的地方，其實就是更靠近引力場或者空間彎曲比我們地球上空間彎曲更大的地方。
恒星級黑洞與超大質(zhì)量黑洞的誕生之謎
在我們的宇宙當中到底有沒有發(fā)現(xiàn)黑洞呢？現(xiàn)在大量的觀測已經(jīng)表明，我們這個宇宙當中有很多黑洞?？傮w而言，這些黑洞可以分為兩大類：一類叫作“恒星級黑洞”，另外一類叫作“超大質(zhì)量黑洞”。前者的質(zhì)量大約是10個太陽質(zhì)量，而后者的質(zhì)量是在幾百萬甚至幾億個太陽質(zhì)量。雖然它們的質(zhì)量有著這么大的差別，但是最終它們表現(xiàn)出來的卻有著極大的相似性。
首先，它們有一個圍繞自身轉(zhuǎn)動的氣體盤。其次，它們有一種從黑洞中心噴射出來的氣體物質(zhì)，在天文學當中叫作“噴流”。正是因為有氣體盤，黑洞會產(chǎn)生輻射，而這些噴流也會產(chǎn)生輻射，所以我們才能夠看到黑洞。否則，我們是沒有辦法探測到黑洞的。
這些黑洞是怎么產(chǎn)生的呢？一般來說，質(zhì)量大約為幾十個太陽質(zhì)量的恒星在死亡后會塌縮成黑洞。這是因為恒星內(nèi)部有熱核反應(yīng)，它本身能夠支撐自身的重量，但是當熱核用完的時候，就不能支撐重量了，就會形成黑洞。最后，它會產(chǎn)生一個特別強烈的爆發(fā)，并在一秒鐘內(nèi)釋放出比太陽在一生當中所釋放出來的能量還要強100倍的能量。
蟲洞，高維空間之旅的連接通道
在日常生活當中，我們也會聽到某個人在談?wù)摵诙?，他們在談?wù)摰臅r候，往往會提及時空穿梭。那么，黑洞是怎么讓我們實現(xiàn)時空穿梭的呢？
我們的宇宙處于一個更高維度的宇宙當中，并不是單獨存在的。如果有一天有一個人告訴你，其實在高維空間中有一個通道連接著地球與織女星，那么這個通道肯定就是蟲洞。
蟲洞有沒有可能自然產(chǎn)生？完全可能。因為在黑洞中心有一些奇點，奇點上有量子泡沫，而這種量子泡沫就可以產(chǎn)生蟲洞。但是問題是，它們存在的時間和長度都特別小，分別大約在1.0E-43秒和1.0E-35米這種量級上，或者更小。所以，我們必須要達到這種量級，才能夠讓人類穿梭。也就是說，蟲洞的尺寸必須達到至少人類的大小，比如米或者千米的量級；時標的話，必須達到秒、分或者小時的量級，人類才能在蟲洞中穿梭。
我們怎么解決這種問題呢？有沒有可能解決呢？或許，我們可以從宇宙的演化當中得到一些啟示。現(xiàn)在有很多觀測發(fā)現(xiàn)，我們的宇宙起源于一個大爆炸，經(jīng)過爆漲，漲到了我們現(xiàn)在觀測到的豐富多彩的宇宙。
而且，最近的觀測表明，我們的宇宙當中含有一種叫作“暗能量”的成分，它與我們通常所見到的物質(zhì)的性質(zhì)是完全不一樣的。我們知道，根據(jù)牛頓對于引力的認識，有質(zhì)量存在就有引力，但是暗能量完全相反，它的性質(zhì)能夠提供一種斥力，而這種斥力正是蟲洞所需要的。
黑洞探索，實現(xiàn)“時空穿梭”的秘鑰
經(jīng)常會有人問我，你研究黑洞有什么意義，今天，在“未來創(chuàng)客”的這個舞臺上，我要談一些關(guān)于研究黑洞的重要意義。首先，很直白地講，研究黑洞沒有很直接的社會影響，但是我想作為一個基礎(chǔ)學科的研究，它是一種人類自由探索意志的體現(xiàn)。我們可以想象，這個信息社會的產(chǎn)生，是源于一個小小的3W協(xié)議。但不為人所注意的是，3W正是粒子物理為了交換大數(shù)據(jù)所催生的。一個小小的3W協(xié)議竟然撬動了我們的整個社會，把我們帶到了現(xiàn)在的信息社會。對于黑洞的研究，或許就在明天，便會把我們帶向一個我們覺得時空穿梭非常容易，而且非常頻繁的時代。
本文為茍利軍在“未來創(chuàng)客”上的演講實錄。
∑編輯 | Gemini
