黑洞宇宙模型(2)

105 阅读7分钟

虽然本文接上文,但由于这段时间作者了解了更多的知识和思考,可能和上文有一些矛盾的描述,以本文为准。

时空扭曲

在许多人的印象中,黑洞被描述为一个事件视界球,内部有一个奇点,光可以被吸入视界内,却不能反向逃逸出来。但是,这种说法非常地“经典”(“经典”在现代物理学语境下往往是带点贬义的,暗示它不成熟、过于浅表和理想化等等),因为光并非像有质量的物体那样被“吸入”,其进入黑洞的轨迹完全不能用有质量物体的运动方程计算。相对论认为光永远走直线,即使被“吸入”黑洞亦然,因此被扭曲的其实是时空。

时空扭曲的说法大量出现在广义相对论相关的描述中,这种描述的出现是为了确保“光速不变”的成立所必需的假设。历史上,人们是先认定了“光速不变”然后才不得不接受时空是被扭曲的推导。但是,不了解这段历史的人就会很难接受,时空,给人的直觉应该是比光速更加恒常性的东西,凭什么它可以被扭曲,光反倒不能?

然而直觉与直觉恰恰相反。如果你真的带入一个扭曲时空中的观察者来看,“光速不变”反倒更符合直觉,其根本原因是,你没有能直接测量时空扭曲的方法。时空扭曲只能间接测量,例如利用欧氏三角学方法。欧氏几何相比于其它几何,核心特征就是假定平行线永不相交,以及以此推导出的三角形内角和等结论。在平直空间中,平行线的确永不相交,三角形内角和也总是180°。因此反过来,如果一个观察者发现平行线发生了相交,三角形内角和不是180°,就说明时空存在扭曲。

在天文学中存在很多这样的测量。例如在地球上两个不同的位置观察同一颗星球,根据光在天空上的角度位置,以及两个观察点的距离,就可以用三角学定理计算出星球到地球的距离。但是天文学家经常发现,有些时候的观察与多数时候的观察,计算出的结果大相径庭。人们很难相信遥远的天体会发生这么大的距离波动。经典的解释就是,距离发生严重偏离的时候,就是因为有一个大质量天体出现在了目标天体与地球之间,扭曲了光线。而广义相对论则认为光仍然是直线,是那个大质量天体扭曲了时空。

从字面上看这两个描述,似乎经典解释更容易让普通人接受。但其问题不仅在于光扭曲的轨迹不符合经典运动方程,而且在于这种光线的扭曲是无法被直接观测到的。遥远天体发出的光到地球,绝大多数光程都在不可触及的宇宙空间中,没有办法验证途中是否发生了扭曲。其次,即便假设我们有一根直尺可以从地球直接伸到遥远天体处,由于直尺的“直”性本质上仍然是依赖电磁相互作用来维持,而电磁相互作用又依赖光子的传递,因此如果光线会扭曲,那么直尺也一定会随之扭曲,而且不会产生任何内应力,即使观察者到达那个大质量天体旁边,也不会“看到”直尺真的发生任何扭曲,在他的眼中直尺仍然是“直”的。唯一能暴露这种扭曲存在的方法,就是在距离充分远的至少3个点之间进行欧氏三角学计算。因此对于一个实际的观察者来说,光速不变才是最符合他的感知的,恰恰是空间扭曲是通过三角学计算出来的、间接的结果。

下图是按照光线扭曲说给出的图解。时空扭曲说比较抽象,很难在二维图上画出来。

综上,由于实际观测结果不符合欧氏三角学定理,人们要么接受光速不变,则时空必须扭曲;要么坚持时空不扭曲,则光线必须扭曲。出于天文观测的直观性和计算的简便性考虑,科学界主流描述选择接受光速不变和时空扭曲的说法。

内外翻转

当然,光线扭曲的说法之所以没有被完全淘汰,是因为对于普罗大众来说,光线扭曲仍然是一个更容易直观想象的描述方法,所以本文也不会完全抛弃光线扭曲的说法。但需要记住:

  • 光线扭曲的轨迹和物体落入引力场的轨迹不是一回事
  • 光线扭曲和时空扭曲是两套不同的话语体系对同一个物理现实的不同描述。虽然描述的是同一个现实,但两者不能共存在一个描述中。因此当本文提到光线扭曲时,就是在假定时空不扭曲;反之如果说时空扭曲时,就是在假定光总是走直线。

现在考察一个观察者接近黑洞时会发生什么。图解仍然是光线扭曲说。

根据广义相对论的计算,在某一个距离处,观察者所观察到他以为来自“垂直于黑洞方向”的光,实际上将会来自黑洞的切线方向。但这是光线扭曲说的描述。如果按照时空扭曲说,光速永远是直线,那么观察者看到的黑洞就不再是球,而变成:

根据时空扭曲说,此时观察者发现,黑洞的界面变成了一个将整个宇宙空间分割成两半的天堑。黑洞不再是茫茫宇宙中一个渺小的天体,而变成了占据半壁宇宙江山的庞然巨物!

注意图中的界面并不是事件视界,而是上文中所述使得“观察者以为垂直方向的光实际上来自黑洞切线方向”这个现象发生所需的距离界面。此时观察者尚未到达事件视界处。如果继续接近事件视界,根据时空扭曲说,观察者将会看到一个震撼的现象:

这个图可能在数学上不精确,读者需要自行发挥一些想象。黑洞界面占据的视角将超过180°,这意味着从观察者来看,自己竟然被黑洞给“包围”在内部了!而且不仅是他自己,是自己原本出生的整个宇宙,都被这个黑洞给包围了!我将此现象称为“内外翻转”:原本的“黑洞内”反而包围在了原本的“外部宇宙”之外!

可以想见,随着观察者继续前进,原本的黑洞对他来说就成了一个全新的宇宙空间,而原本的宇宙则消失在无尽的远方。