霍金研究了一生的黑洞到底是什麼？落入黑洞會發生什麼？
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我們今天再詳細探討下：落入黑洞會發生什麼
大家知道，霍金在3月14日去世了，這個日子正是愛因斯坦誕辰的日子。霍金研究了一生的黑洞到底是什麼？
黑洞的提出
談到黑洞，首先必須說愛因斯坦。
愛因斯坦的主要貢獻是光電效應、狹義相對論和廣義相對論。 愛因斯坦在廣義相對論是我們研究宇宙的有力工具，在這個理論裡面愛因斯坦提出了引力場方程：
根據這個方程，德國天文學家史瓦西通過計算，得到了引力場方程的一個解。
他發現：這個解很奇異，有很多奇妙的性質。他就把這個解叫做黑洞，並指出宇宙中可能存在這種比較奇怪的天體。
宇宙中究竟有沒有黑洞呢？人們開始了一個世紀的尋找，直到今天人們依然把黑洞的存在定性為「可能」。
那麼霍金又做了什麼呢？
霍金對這個解又進行了一些嘗試，在愛因斯坦廣義相對論基礎之上又引入了量子場論，並通過量子場論的分析，對黑洞的性質又進行了更加詳細的描述。比如霍金提出了奇點理論、黑洞蒸發理論、證明了黑洞面積定理等等。霍金的數學功底非常強，他的理論都是通過完美的數學表達式得到的結果。但到目前為止，以上的理論還只是推測。黑洞是否真的存在，人們還處於懷疑階段。霍金也因此沒有獲得諾貝爾獎。
進入黑洞的任何物體都無法逃逸
首先，黑洞質量非常大，以至於連跑的最快的物體--光都無法逃逸。為了理解「逃逸」這個概念，我們從比較經典的例子出發，討論一下宇宙速度。
牛頓曾經說：一個炮彈在地面發射，如果速度比較慢，就會落回到地面。如果速度達到一定值，就不會落地，而是環繞地球運動。這個速度稱為第一宇宙速度，它的大小是7.9千米/秒。如果這個速度繼續增大到11.2千米/秒，物體就再也不會回到地球，而是逃逸到無窮遠處，這個速度也就被稱之為逃逸速度。
在經典物理里，逃逸速度與星球質量和半徑有關：
其中G是萬有引力常數， M是星球的質量，R是星球的半徑。
我們會發現，如果星球的質量M越來越大，而星球的半徑R越來越小，逃逸速度V就會增大。如果這個速度增大到光速c，那麼任何物體都無法逃脫星球的引力了。
於是，我們利用公式
得到
這個就被稱之為史瓦西半徑。也就是說，如果一個星球半徑小於史瓦西半徑，就連光也逃不出去。
大家注意：以上過程是一個類比過程，這個方程最終是從廣義相對論得到的。雖然看起來史瓦西半徑公式和逃逸速度公式一樣，但他們的含義是不同的。
如果我們把地球質量
代入，就會得到地球的史瓦西半徑R=0.01m。也就是說當地球變成乒乓球大小時，地球就變成黑洞了。
掉入黑洞會怎麼樣
黑洞最引人入勝的地方是它會造成強烈的時空彎曲。時空彎曲的概念不太好理解，我們從一個簡單的例子來說明：
假如有一個引力很大的天體構成了黑洞，那麼它的外界有一個圓圈：視界，其半徑大小就是史瓦西半徑。
假設有一個人A逐漸接近視界，在視界之外還是有機會逃逸的，但一旦進入視界，即使速度為光速，也無法逃離黑洞，最終會撞向黑洞的中心點：奇點。
當這個人勻速接近黑洞，A認為自己在勻速直線運動。如果在遙遠處有一個人B觀察，他的感覺卻與A不同：而在B看來，A的速度越來越慢。最終當A接近視界邊緣的時候，B就會發現A靜止不動了。在B看來A永遠都不會進入視界，而是會成為一座在視界邊緣的豐碑。
這就是引力造成的時間變慢效應：距離黑洞越近，時間越慢。
不僅僅是黑洞，大質量物體都會造成周圍的時間變慢，大家應該看過一部科幻電影《星際穿越》的一個場景：幾個宇航員到一個星球僅僅停留幾小時，而在外圍空間軌道等待他們的宇航員卻在飛船上呆了20多年。
但是A自己看來，他是可以進入視界的。而且當A進入視界之後，就在也出不來了，因為即便他以光速運動，也無法從視界逃逸。視界內的所有現象都和視界外無關，視界內的任何信息都無法發送到視界外，所以我們可以說視界內和視界外是兩個世界。
我一般不喜歡把物理學和玄學搞到一起，但是視界內的宇宙與視界外隔絕這件事，真的很像人的死亡。人死了之後也許去了另一個世界，只是他們再也無法給我們傳達任何信息了。
更為有趣的是，在黑洞外，時間是單向的，空間是雙向的。也就是說，人不能回到過去，但是可以往前運動，也可以往後運動。不過，在黑洞裡面，由於時空扭曲的特別厲害，時間會變成雙向，可以回到過去。但空間卻變成單向的了，不能往回走，物體只能向前，往奇點運動。
在《星際穿越》中也有這樣的情節：爸爸通過了黑洞，穿越到過去，給他的女兒一些提示。進入黑洞之後時間的確變為雙向，可以到過去，然而視界內的世界與外界沒有任何聯繫，他爸爸不可能給女兒發信息，更不可能從視界出來。這一點上電影的解釋是什麼我還沒有研究清楚。
奇點是什麼
它是黑洞中心一個密度無窮大的點，在這個點上一切物理規律和數學規律都失效了，類似於用一除以零這個表達式。所以我們才稱之為「奇」點。
在物體靠近奇點的過程中，距離越近引力差越大，最終物體會由於兩端受力差太大而被撕裂。
如何尋找黑洞
霍金預言：黑洞視界附近可以產生正負物質對，正物質放出，負物質被吸進黑洞，這樣一來黑洞質量會逐漸減少，稱為「黑洞蒸發」，所以黑洞也存在壽命，也正因如此，我們可以通過觀察黑洞的蒸發來尋找黑洞。
我們如果想銷毀一份文件，可以用碎紙機把它剪碎，再用火燒掉紙屑，但即便這樣，理論上信息並沒有消失，如果我們使用巧妙地方法進行還原，我們還是可以讀到原來的信息。但是黑洞不是這樣，它吞噬的所有信息都會永遠的消失，雖然黑洞也在蒸發，但是黑洞的蒸發是不攜帶任何信息的。黑洞是宇宙的超級碎紙機。
黑洞理論依然是宇宙學中最神奇的內容，期待著更多科學家進行討論。
本文由李永樂老師首發於悟空問答，並有改動。
李永樂
李永樂老師：北京大學物理與經濟雙學士，清華大學電子工程碩士；北京市中學物理教師/物理競賽教練。從教十年，培養清華北大學生200餘人，國際奧賽、亞洲奧賽、國家奧賽金牌十餘名。
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