如果你掉進黑洞,會發生什麼事?
黑洞是什麼?想像一片可彎曲的舞台
把時空想像成一張橡皮布或彈床:有質量的物體(像太陽、行星、恆星)會把這張布往下拉,其他東西便沿著被拉出的凹陷運動,這就是我們感覺到的重力。黑洞就是把這張布拉得非常、非常深的地方,深到連光也無法逃出去,所以我們看不到它內裡的樣子。
黑洞如何形成(舉例)
多數黑洞由超大質量恆星的死亡產生。當巨大的恆星在生命末期內部崩塌、外層拋出時,中心會被壓得極端緊密,最後把大量質量擠到一個很小的空間。例如,一個質量約為太陽十倍的黑洞,它的直徑可能只有約60公里——想像一個城市大小但塞進十倍太陽的重量。
事件視界:進去就沒有回頭路
黑洞外面有一道看不見的界線,叫做事件視界。跨過這道界線,無論是光還是訊息都無法回到外面,從外部觀察者看,你會逐漸在視野中變暗、消失。事件視界像是一個一去不返的門,阻止內部可能造成時間旅行等矛盾的影響擴散到宇宙其餘部分。
黑洞周圍很亮,因為物質被撕扯加熱
雖然黑洞本身不發光,但靠近它的物質會形成「吸積盤」。那是繞著黑洞高速旋轉的氣體和塵埃,互相摩擦與碰撞,溫度可以高到數十億度,因此發出強烈的輻射——這正是我們能從遠處偵測到黑洞存在的方式。
靠近黑洞會看到什麼?鏡子、慢動作與時間差
靠近黑洞會有幾個非常奇怪的視覺與時間效果。由於強大的重力會彎曲光線,你可以在眼前看到後腦勺,因為後面的光被拉了彎繞過來;重力也會讓時間變慢:你覺得時間正常流動,但遠方的人會看到你的動作被放慢。若你離開並返回,外界可能已經過了好幾代人——從外界時間尺度來看,這像是一種單向的未來旅行。
被拉扯成「意大利麵」:斷裂式死亡
最殘酷的效應之一叫作「拉長成麵條」(俗稱意大利麵化)。如果你的腳先接近黑洞,腳端受的重力會比頭部強很多,身體會被越拉越長、越來越細,最終分裂成很細的物質流並被加熱成等離子體。這種情況在質量較小、半徑較短的黑洞附近更容易發生;在超級巨大的黑洞(銀河中心那種)上,事件視界外的重力梯度反而較緩和,跨過事件視界前可能還看不到明顯的拉伸。
黑洞的內部與奇點:物理學的極限
在黑洞的最中心,我們的理論預測有一個奇點:質量被壓縮到幾乎零體積、密度與時空曲率趨向無限的點。在那裏,廣義相對論失去描述力,量子重力尚未完成,因此我們無法用現有方程清楚描述奇點的真實樣貌。從外面可觀察的性質很少:一個黑洞對外只保留質量、旋轉與電荷這三個參數,其它曾落入的細節似乎被「抹去」。
旋轉黑洞比你想像的還要狂
真實宇宙中的黑洞多半在形成時帶著快速自轉,有些甚至接近光速的角動量。旋轉會把周圍的時空一起拖動,形成一個叫做「能量圈」(ergosphere)的區域:在那裏不可能靜止不動,你會被迫跟著旋轉。旋轉也改變中心奇點的形狀,可能讓情況變得更複雜。
黑洞會消失嗎?霍金輻射與超長壽命
根據量子場論的簡單推論,事件視界附近會不斷有短暫出現又消失的粒子對—有時其中一個被黑洞吞下,另一個逃走,這樣黑洞會慢慢放出能量,稱為霍金輻射。結果是黑洞會非常緩慢地蒸發。舉例來說,一個質量等於太陽的黑洞其蒸發時間約10^67年;銀河中心那種超大質量黑洞的壽命可達10^100年以上。用沙漏比喻:如果把宇宙裡每粒沙子當作一個時間單位,黑洞蒸發的時間比我們能直觀想像的任何時間尺度都要長得多。
結語:很多事我們還不知道,但正因如此有趣
黑洞讓我們把重力、量子、時間這些最深奧的概念擠在一起,產生各種直覺上不可思議的結果。雖然我們從外部能觀測到它們的影響,內部仍是理論與實驗的邊界。這正是物理學最刺激的地方:還有很多未解之謎,等著我們去思考與測試。
