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黑洞五大誤傳
文：黃永明
黑洞是宇宙中最不可思議的天體。愛因斯坦提出廣義相對論之後的第二年，即2023年，科學家們才理解並接受了黑洞的存在。今天，黑洞已經廣為人知，這個曾經僅僅存在於物理理論中的怪物已經被人們泛化到了其他許多層面，並賦予了它新的含義。
與此同時黑洞也早已成為科幻**、科幻影視中頻頻出現的神奇天體。這些科幻作品讓許多人認識了「黑洞」這個怪物，但同時也帶來了種種對黑洞的誤解。這裡我們總結出五種最為常見的對黑洞性質的誤傳，也相應給出真實的情形。
請看一看，你的腦海中是否也存在這些以訛傳訛的誤解，是否能分清黑洞的科學與科幻？
誤傳1：黑洞是時空旅行的通道
宇航員在執行任務是不幸遭遇了黑洞，當他們發現時已經無力迴天——他們無可避免地掉進了黑洞！但也許這不見得就是一場災難——在一些科幻作品中，黑洞被描述為通向宇宙其他地點或者其他宇宙的大門，宇航員掉入黑洞後會幸運地到達宇宙的其他地方乃至另外一個宇宙！有一部電影的宣傳語就是：
「一次從萬物終結之處開始的旅行。」
但不幸的是，終結就是終結，這裡不會再有新的旅行。很多黑洞僅僅是大質量恆星的演化終點。這些恆星的質量在太陽的10倍以上。
在它們的一生中，總有兩種不同的力量在相互抗衡：自身的引力向內施壓，而內部熱核聚變反應所產生的能量則向外施壓。當這兩種力量不分伯仲的時候，恆星就處於較為穩定的狀態。
但恆星內部用於熱核聚變的的燃料終有一天要用盡，當這一天來臨時，力量的懸殊就會顯現出來。一旦引力佔了上風，恆星就無可避免地向內坍縮，並且引力的作用會越來越劇烈。隨著恆星的物質變得越來越緻密，它的逃逸速度也越來越大。
當恆心緻密到逃逸速度大於光速時，一個黑洞就形成了。此時，即便是宇宙間運動速度最快的物質——光——也無法逃離黑洞了。
另外，宇宙中還有一些質量非常巨大的黑洞，他們位於星系和類星體的中心。比如我們銀河系的中心就有一顆超大質量黑洞，它的質量是太陽的400萬倍。這些黑洞的形成過程還不完全清晰。
但不論是恆星質量黑洞，還是超大質量黑洞，從天文學角度來看，都與時空之門無關，它們不過是天體的一種極端存在形式。
在時空旅行的幻想中，還常常出現「蟲洞」。蟲洞被認為是有兩個黑洞經「愛因斯坦-羅森橋」連線而成的。2023年愛因斯坦和羅森提出了愛因斯坦-羅森橋，但這一理論並沒有提及橋兩端所連線的時空具有何種關係。
於是在科幻中，宇航員從一個黑洞進入另一個黑洞進入，會從另一個黑洞出去，這樣就發生了時空旅行。但真實的情形是，到目前為止，天文學家在實際的觀測中已經發現了不少黑洞的存在跡象，卻從未有任何證據證明蟲洞的存在。蟲洞目前僅僅是數學上的結果，可能永遠也只是數學上的結果。
此外還有另一種更為詭異的說法：黑洞可能與白洞相連，當一個人從黑洞進入後，可能由白洞出來。事實上，白洞也僅僅是數學上與黑洞相對的結果，在自然界中是否真的存在也很值得懷疑。
而白洞與黑洞相連的說法就顯得更加不可能了。退一萬步說，假設真的有黑洞與白洞相連，那麼當一個人投身黑洞，那麼早在他從白洞「鑽」出來之前，他已經在黑洞巨大的潮汐裡的作用下被撕得粉碎了！
誤傳2：黑洞會把所有的天體都「吸」進去
連光都無法逃離黑洞的魔掌，更不用說其他物質了。不管是恆星還是行星，宇宙中的一切其他的天體最終都會被黑洞吸進去，我們銀河系中心的超大質量黑洞最終會把整個星系都吃掉——這只是個時間問題，對嗎？
不是這樣的。事實上，黑洞不會「吸」任何東西。黑洞的引力與宇宙中其他天體的引力在性質上沒有差別，對於遠處的物體來說，黑洞的引力並不能把它們怎麼樣。
假如我們的太陽系突然演化成了一個黑洞，那麼這個黑洞並不會把太陽系中的大小行星統統吃掉。我們的地球仍會在現在的軌道上執行下去（嚴格說來，從長時間來看可能會有微小變化），唯一明顯的變化就是天氣會變得異常寒冷——因為缺少了陽光的溫暖。
黑洞就像是水中的旋渦，只有當你離它太近的時候，它才會對你構成威脅。黑洞有一個「史瓦西半徑」，只有當你越過了這個半徑，你才會無法自拔地被黑洞「吸」進去。史瓦西半徑可以從逃逸速度的方程中計算得到。
在史瓦西半徑以內，光都無法逃逸。我們的太陽的半徑大約是70萬千米。當太陽突然變成黑洞，太陽系中的大小行星全都會處於「安全線」之外。
當然，我們的太陽是不會變成黑洞的，因為它的質量太小了。太陽最終會演化為一顆白矮星。那些經歷一系列演化後中心質量在太陽的2.
5倍以上的天體，才有可能演化為黑洞。
那麼，為什麼在史瓦西半徑以內，黑洞的引力會極為強大呢？在數學上，一個物體所產生的引力可以被看作是集中於一點的。對於球體來說，這個點位於球心。
當你站在地球表面，你距離球心是最近的，因而你感受到了地球所能帶給你的最大的引力。假設某一天，地球開始向中心坍縮，那麼站在地球表面的你就會隨之移向地球的中心，也就是說你裡地球中心越來越近，這時你就會感到自己越來越重，因為你受到的引力越來越大。但假如你沒有隨著地面移動，而是懸在原地不動，那麼你便不會感到引力有何變化。
黑洞是一種極端的情況，理論上，天體演化為黑洞時，原先的物質會坍縮到體積為零、密度為無窮大，其他物質能夠非常接近原先天體中心，因而受到極為強大的引力作用。
誤傳3：黑洞的密度無窮大
在廣義相對論中，黑洞中存在一個「奇點」，這個奇點的體積為零、密度為無窮大。任何物體跌入黑洞後，最終都會粉身碎骨地撞到奇點上。然而，奇點只是計算得來的產物，在真實的物理世界中，密度為無窮大的狀態不應該出現。
從量子輻射的角度來考慮，假如一個物體的密度為無窮大，那麼它是無法長時間存在的，它會在眨眼間就消失。
實際上，從史瓦西半徑的計算公式中很容易看出，黑洞的史瓦西半徑的長度與黑洞的質量成正比。史瓦西半徑給出了黑洞「視界」的大小，人們一般將視界之內的體積看作黑洞的體積。假如一個黑洞的質量是另一個的10倍。
那麼，前者的史瓦西半徑的長度就是後者的10倍。進而可知，前者的體積是後者的1000倍。這時再計算密度就會發現，前者的密度是後者的1/100。
由此可見，當黑洞的質量增加時，它的密度會迅速減小。
假如一個黑洞的質量與我們的太陽相當，那麼它的密度就是100億頓/立方厘米，這樣大的密度簡直難以想象。而對於星系中心的超大質量黑洞而言，它們的密度則可能比水還要小。有人計算，宇宙質量的黑洞的密度會小到10的-23次方克/立方米。
另一個有趣的現象是，超大質量黑洞在視界處的潮汐力可能並不大。一名宇航員如果飛向一個恆星質量的黑洞，那麼他早在到達視界之前就會被撕裂；但如果他飛向一個超大質量黑洞，那麼他有可能在越過視界後仍安然無恙。
誤傳4：實驗室中產生的量子黑洞可能吃掉整個地球
在科學家業已發現的四種基本力（強力、電磁力、弱力、和引力）中，引力是最弱的力。目前有一些「怪異」的理論來解釋這種現象。比如有理論認為，引力並不是本質上就很弱，但它之所以表現得弱，是因為它的力量傳播到了一些看不到的維度中。
在三維的世界中，當你把兩件物體的距離拉近一半，那麼它們的間的引力將變為原先的四倍；但如果在九維的情況下，當你把兩件物體的距離拉近一半，它們間的引力將變為原先的256倍！這種理論意味著，假如我們的宇宙中存在一些看不到的小維度，那麼在極小的距離上，引力可能會成為一種很強的力。再進一步，這可能意味著，在科學家的實驗室中，機器可能會擁有製造量子黑洞的能量。
這種擔心其實是多餘的。每天，來自宇宙空間的高能粒子都在撞擊地球。據計算，由此撞擊出的小黑洞每天可能有100個。
如果這些小黑洞能吃掉地球的話，那麼地球早就不存在了。可是，這些小黑洞為什麼無法對地球的安全造成威脅呢？
2023年，史蒂芬·霍金提出，黑洞是有輻射的，它們會有「蒸發」。黑洞的溫度與它的質量成反比。一個黑洞的質量越小，它的溫度就越高，「蒸發」過程也越快。
實驗室中製造出來的黑洞（如果能造出來的話），它們的溫度可能就已經「蒸發」殆盡了。如果想讓這樣的黑洞存活下來，那麼就必須使它周圍的溫度比它的溫度還要高。要知道，即便是在太陽的中心，也是遠遠達不到這種溫度的。
然而幻想中會有所不同。假設你有某種方法使量子黑洞周圍的溫度高於黑洞，那麼黑洞就會慢慢長大。隨著質量的增加，黑洞會逐漸冷卻。
待到黑洞冷卻到一定程度，它會進入一種穩定的狀態，最終你可以把它從原先的超高溫環境中取出，為你所用。當然，也有一些科幻作家已經指出，假如這樣的黑洞被不小心掉在了地上，那麼它會一路吃到地心，最後整個地球都會完蛋。
下面回到現實。現在，歐洲核子中心正在建設「大型強子對撞機」，該對撞機最早有可能在2023年投入執行。該對撞機能夠令粒子在極大的能量中碰撞，甚至模擬出宇宙大**剛剛發生之後宇宙中的環境。
該對撞機位於法國和瑞士的接壤之處，但請放心，即便它不小心製造出了黑洞，黑洞也不會吃掉法國或瑞士。
誤傳5：在掉進黑洞的過程中，我會看到宇宙命運在我眼前閃過
假如你乘著飛船向黑洞撞去，遠處有一個你的噴夠目送你，那麼你的這個朋友將永遠也看不到你越過視界的那一刻。因為在視界附近，由於引力的作用，時間的流動變得很慢，在你接近視界的過程中，你的飛船發出的光線需要越來越長的時間才能到達那位朋友的眼睛。在視界處，這個時長變為無窮大，你發出的光線永遠也到達不了朋友的眼睛了。
那麼，這是否意味著你需要無窮大的時間才會撞到奇點上，而你可以看到宇宙的命運在你眼前閃過呢？不是的。對你來說，你也許需要花費一些時間到達視界，但只要越過了視界，那麼須臾之間你就會到達「萬物的終結之處」。
在你看來，時間並沒有變慢。你的朋友所看到的只是某種假象，也許你早已撞上了奇點，但你的朋友所看到的景象還是你正在接近黑洞。
另一方面，實際上，在你不斷接近時視界的過程中，你的飛船所發出的光線的波長會越來越長。對你的朋友來說，也許起初還可以看到你的飛船在光學波段的影象，然後光學波段看不到了，只好在紅外波段看，後來紅外波段也看不到了，只能在無線波段看，到了最後，光線的波長被紅移到非常大的程度，你的朋友用什麼儀器都看不到你了。
在跌入黑洞的過程中，你所能看到的僅僅是被扭曲了的宇宙景象，因為黑洞造成的時空彎曲可能會使外部傳來的光線發生扭曲。即便是進入到視界以內，你仍然可以看到（當然，如果你還活著的話）外面的星光。因為光線可以進入黑洞，只是出不去。
也許在你看來，星空會有些扭曲，但決不會看到宇宙的命運的「快進」版本。
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光子沒有靜質量，但仍然有能量，也就是有動質量另外光子在引力場的作用不適合用牛頓力學討論，要想得到正確的結果需要用到廣義相對論的引力場方程。宇宙膨脹是時空度規的膨脹，宇宙膨脹的速度並不是任何實際物質在局域慣性系中的運動速度，跟平時所說的速度並不是一個概念。通過檢測引力作用發現。至於 就是一坨黑嘛 周圍...
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