如果你不巧掉進黑洞,會被“擠成麵條”。是的,這正是對即將發生的事做出的科學描述。黑洞毀滅性的引力會同時將你擠壓和抻拉,把你塑成一串亞原子粒子,看起來就像長而細的麵條。這些曾經是你的粒子,隨後會墜入黑洞的中心,在那裏你的粒子會繼續被壓縮,致密的程度高到連數學也無法量化。
這一切唯一的好處在於,如果你掉進黑洞時恰巧醒著,壓麵條的過程會快到讓你毫無感受。總而言之,這也不算一個糟糕的死法。
既然黑洞的環境如此險惡,那麽它們也就不大可能存在生命。說到底,有什麽能在其中存活下來呢?不過,有一個流行的理論違背了這一邏輯。它聲稱,盡管看似不可能,但生命不僅可以存在於黑洞中,而且我們就是證據,因為我們生活的宇宙就是一個巨大的黑洞。
黑洞的定義是一種引力大到沒有什麽能逃離它的天體,就連光也做不到。關於這種天體可能存在的猜想,可以追溯到數個世紀之前,盡管那個時代的大多數時間裏,科學家們並不願意接受“如此古怪的現象有可能是真的這樣的”想法。預言黑洞存在的第一人是英國的牧師約翰·米歇爾。1783年,他給英國皇家學院遞交了一篇論文,在論文中他猜測:如果一顆恒星比我們的太陽大五百倍,其引力場的強度會大到使光無法逃離。盡管它如此大,該恒星仍會從視線中消失,成為一個黑洞(盡管米歇爾並沒用這個詞)。
科學界把這一假說斥為胡思亂想。似乎不大可能有任何恒星會如此巨大。而且無論如何,當時主流的信念是:光不受引力的影響。於是,關於黑洞的奇怪想法就這樣被束之高閣了。
直到1915年,它才被重新撿起,恢複生機。阿爾伯特·愛因斯坦當時發表了他的廣義相對論,從而說服了科學家相信引力並非一種力,而是代表著空間與時間的彎曲。這樣的話,光就會受引力的影響,因為它會沿著時空的曲線運動。
廣義相對論還意味著,具有足夠大的質量和密度的天體,可能會強烈地扭曲時空,以至於形成一個“井”,任何東西都不能逃離它,就連光也不能從中逃脫。在這個“井”的中心將形成一個奇點—在這個點上,引力場的強度將無限放大。
盡管廣義相對論本身隱含此點,大多數科學家,就連愛因斯坦本人,都仍然認為黑洞是一個瘋狂的想法。問題在於,物理法則會在奇點失效,而物理學家會出於本能,避不接受這件事可能會發生。物質可能會被無限壓縮的想法似乎也是錯的,因為有限的事物怎麽能擁有無限的值呢?科學家們認為,到了某個點上,構成物質的亞原子粒子會找到一種辦法,抗拒進一步被壓縮。
直到20世紀60年代,科學界才接受了黑洞的存在。事實上,黑洞這個詞也是在這十年間才被創造出來的。1964年,科學記者安·尤因首次在文章中使用了該詞。人們更好地理解了空間會怎樣在黑洞周圍彎曲的複雜數學問題,這使物理學家不再對整個黑洞的概念感覺到別扭了。另外,射電和X射線天文學的新技術展現出宇宙擁有一些非常奇怪、高能且極為致密的天體,如類星體和脈衝星。相比來看,黑洞似乎也沒那麽離奇了。
黑洞剛被接受為可能的現象沒多久,人們就開始懷疑,我們會不會生活在一個黑洞中呢?
黑洞宇宙假說並不是某個理論家的發明,並沒有哪個人物站出來,成為它的捍衛者。相反,20世紀60年代末70年代初,黑洞宇宙假說就像一個“梗”一樣在科學界流傳著,隨後在大眾中風靡起來。
物理學家羅傑·彭羅斯[20]可能是在出版物中提出這個猜測的第一人。他在一篇1967年提交給劍橋大學亞當斯獎的文章中提到這種可能性。五年後,物理學家拉傑·帕斯利亞和歐文·古德各自就此假說寫了一篇短文,分別發表在《自然》和《今日物理學》期刊上,令其獲得了更廣泛的受眾。到了20世紀80年代,該假說被看作一個即使非正統,但也十分流行的想法,關於它的討論經常出現在書籍和文章中。
許多人各自獨立地想到了這個假說,因為在天體物理學的框架裏,它是一個在某種意義上很明顯易得的想法。在自然界隻有兩個位置與奇點相關:黑洞中心和創造我們宇宙的大爆炸的起點。因此,想象兩者會不會相關也確實自然合理。
一旦你開始把宇宙與黑洞做比較,那麽其他相似之處自然就會浮現出來。有一個事實是,黑洞存在一個事件視界,這是一個無法回頭的地方。就像一條圍繞在黑洞周圍看不見的線,無論什麽東西越過這條線,都會徹底被黑洞的引力攫住,即使是光也無法逃脫,而且從一個外部觀察者的視角來看,它會徹底從宇宙中消失,不複存在。事件視界的作用如同一道屏障。任何在其界限之內的事物都永遠無法逃出來。
類似地,我們則被困在一個宇宙級的事件視界中,這一界限由我們能夠向宇宙看多遠來定義(大約是朝任意方向看去的四百六十億光年)。正如物體會被徹底困在黑洞的事件視界中一樣,我們被徹底困在其中,永遠也無法跨越這一視界。
我們無法跨越這個宇宙級視界的原因在於:宇宙的持續膨脹造成該視界遠離我們的速度要快於我們做星際旅行去追趕它的速度。事實上,它遠離的速度比光速還快,而且盡管它不受光速的限製,但我們受這個限製。這意味著物理法則使我們永遠無法跨越這一視界。
這一切可能聽起來相互矛盾。為什麽宇宙級視界能以高於光速的速度移動,而我們卻不能?這是因為宇宙在膨脹,而且無處不在膨脹,這意味著膨脹是累積的。兩個天體之間距離越遠,就會有越多單位的空間同時在膨脹,沒有極限。累計足夠大的空間,膨脹速度就會超越光速—可從來沒人說過天體物理學淺顯易懂。
接下來,就是史瓦西半徑的問題。1915年,愛因斯坦剛剛發表了他的廣義相對論,德國物理學家卡爾·史瓦西[21]就用它的公式計算出圍繞在任何均勻球形物質周圍的引力場強度。這是令人震撼的成就,不僅因為愛因斯坦的廣義相對論公式以難於求解著稱,而且因為史瓦西當時身在德軍軍隊中,是在俄國前線躲避子彈時完成的這件事。另外,他感染上了一種無法治愈的皮膚病,使他迅速地陷入了生命垂危的境地。他將他的計算結果寄給愛因斯坦之後就過世了。
史瓦西的分析得出了一個看似古怪的結論。暗示任何物體如果被壓縮得夠小,都會變成一個黑洞,因為隨著密度越來越大,其表麵受的引力會增強。一個物體引力的強度和你與它之間的距離呈負相關—具體來說,和你與其中心點之間的距離呈負相關。因此,如果你壓縮整個物體,使它直徑更小,由此縮短了其表麵到中心的距離,則其引力會相應地增大。
讓我們來看一個例子:如果瘋狂的科學家們能夠將整個地球壓縮到比高爾夫球稍小的程度,那麽地表所承受的引力將變得無法抗拒,地球會變成一個黑洞。與此類似,如果這些科學家能夠把你壓縮成一個微小的點,比一顆原子的原子核還要小一些,你也會變成一個黑洞。物體會轉變成黑洞的那個臨界半徑,現在被稱為它的“史瓦西半徑”,任何物體的史瓦西半徑都是可以算出來的。
起初,科學家們把史瓦西的發現當作怪論而未加理睬,因為他們不願相信黑洞是真實存在的現象。但是,他們剛回過頭來接受黑洞存在的事實,就有人想起詢問可觀測宇宙的史瓦西半徑會是多少。這也就是說,你需要將可觀測宇宙壓縮到多小,它才會轉變成一個黑洞呢?
可觀測宇宙的質量可以借助觀測加以估算,而且我們知道它的大小(我們可以朝任一方向看四百六十億光年遠,因此它的直徑是九百二十億光年)。當把這些數值代入公式,令人不安的結果出來了,可觀測宇宙現在的半徑就小於史瓦西半徑。它的大小已經是可以轉變成黑洞的大小了。
這一結論或許令人難以置信,因為一個物體當然必須要極為致密才能擁有黑洞的引力,但是,看看我們周圍的宇宙,有的是空無一物的宇宙空間。但這一點恰恰凸顯出了史瓦西的計算中另一個奇特之處。他的分析顯示,一個物體的質量越大,它成為黑洞所需要的密度就越小。例如:如果那些瘋狂的科學家能將整個銀河係的半徑壓縮到小於史瓦西半徑,其密度會比海洋中水的密度還要小。而整個可觀測宇宙的質量,若是被壓縮到了小於史瓦西半徑的尺寸,密度不會有多大。事實上,它應有的密度恰是我們目前觀測到的密度。
因此,辯論接下來就發展成:如果你將所有這些因素放在一起考慮—因大爆炸而與我們的宇宙相關聯的奇點、宇宙級事件視界以及我們可觀測宇宙的半徑小於史瓦西半徑的事實—你就會被引向看起來躲不開的結論:我們肯定生活在一個黑洞之中。
當然,大多數天體物理學家並不打算承認這一點。首先,他們提出,大爆炸的奇點與黑洞的奇點並不具有可比性,因為它所在的位置不對。如果你即將掉進黑洞,奇點會不可避免地位於你的前麵,存在於你的未來,但是在我們的宇宙中,奇點處於我們的過去,處於大爆炸發生的時刻。這是一個巨大的差別。我們的宇宙看起來是從一個奇點中誕生出來的,但它並沒有奔向某個奇點。
同時,黑洞的事件視界是太空中一個固定的界限,而宇宙級視界則與觀測者所處的位置相關。一個二百億光年之外的文明所看到的宇宙級視界會與我們的視界有顯著的差別。
另外,至於可觀測宇宙的半徑小於史瓦西半徑一事。這確實是真的,但這並不一定意味著我們就身處黑洞中。實際上它意味著宇宙膨脹的速度已經接近其逃逸速度[22],而我們應當對此心懷感激。如果宇宙膨脹得再慢一點,它可能已經向自身內部坍縮回來了,而如果它膨脹得再快一點,星係和太陽係這樣的天體會無法形成。然而,它膨脹的速度恰到好處,使我們得以存在。
理論物理學家西恩·卡羅爾指出,如果有誰真的熱衷於想象我們被困在某種巨大、宇宙級的洞裏的話,對於這種想象,一個更好的表述方法或許是,我們生活在一個“白洞”(也就是黑洞的反義詞)中。說得更具體點,這是一個時間倒轉的黑洞,物質無止境地從中噴薄而出,而不是掉進其內部。但白洞也有一套問題隨之而來。它們從理論上是可能存在的,因為不管事物在時間上是向過去還是向未來移動,物理法則都發揮著同樣的作用。但是照這樣說,一顆打碎的雞蛋自然而然地重新變回成一顆完整的雞蛋,理論上同樣可能。物理法則是允許它發生的,但是目擊這種事發生的概率幾乎為零。
所以說,或許我們並沒生活在黑洞中,而我們的宇宙並沒有朝一個奇點向內坍縮的這個事實—其本身就證明了這一點。但是,在天體物理學中,事情從來就沒有這麽簡單。黑洞宇宙假說的支持者們堅稱有辦法繞過所有相反的論證。
它仍然可以說得通的一種方法是,假設確實有一個奇點就處在我們無法逃避的未來。如果從現在起數十億年之後,宇宙膨脹會暫停,然後反轉過來開始一場大收縮,那麽可能就滿足了黑洞的定義。
理論物理學家尼克蒂姆·波普拉維斯基還提出另一種辦法。他主張,在一個黑洞內部,物質有可能在向外膨脹,而不是向內收縮。當物質坍縮到一個無法再坍縮的點時,可能就會發生此事,物質隨後會像被上滿弦的發條一樣,爆炸性地向外反彈。事件視界會繼續將黑洞內的物質與更廣闊的宇宙分隔開來,而這種膨脹隨後將進入到全新的時空維度之中,與宇宙大爆炸時的時空突然擴張開來的情形全無二致。波普拉維斯基甚至提出:所有的黑洞都會形成新的宇宙,而這正是我們的宇宙誕生的方式,它就是從更大宇宙的某個黑洞中誕生出來的。
當然,這引出了母宇宙如何形成的問題,這似乎是一個謎。除非它也是從黑洞中誕生出來的。也許全宇宙都由一係列黑洞宇宙構成,就像俄羅斯套娃那樣一層套一層,向外和向內都無限延伸。這可能是個令人困惑的想法,但比起其他關於宇宙起源的理論,它大概也並沒有顯得更加離譜吧。