奇點是什麼樣的? 物理學已給出答案—宇宙中已知最神秘的地方

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阿爾伯特-愛因斯坦在他的一生中多次否認

黑洞

的存在。他甚至在1939年發表的一篇論文來否定黑洞，但他的論點是錯誤的。它們是真實存在的，而且我們現在已經探測到了幾個。

當一顆

恆星

坍縮時，就會形成一個黑洞。它的質量是如此之大，以至於連光都無法逃離它。黑洞外層被稱為

事件視界

，它將黑洞的內部完全掩蓋起來。如果你掉進了黑洞，你將永遠逃不出來，儘管構成你的量子粒子的資訊有一天可能會出現（可能要億萬年）。

黑洞會把掉進它的任何東西撕碎。當某物落入其中時，它的一部分總是比其他部分離黑洞稍遠。這兩部分之間的引力差會隨著它的靠近（黑洞）而增加。在某些時候，這種差異實際上是無限的。

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2005年，一顆矮星被一個黑洞吃掉了。

最簡單的黑洞型別被稱為史瓦西黑洞。這是一個不旋轉也不帶電的黑洞，但是，由於黑洞一般是由正在旋轉的恆星形成的，所以它們很可能會旋轉，這使得它們成為克爾型黑洞。

從物理學的角度來看，黑洞很有趣，因為它們會產生強烈的引力場，這使得它們成為研究引力的完美物體。我們現在已經探測到了一些黑洞，而且我們還利用引力波探測器探測到了我們認為是黑洞合併的情況。

經過黑洞附近的光線會明顯彎曲，以至於它可以將光線直接彎曲到自身周圍。愛因斯坦在1916年預言了這種光的彎曲，而且它實際上已經被探測到了。這就產生了一個奇怪的效果，即理論上你可以看到黑洞事件視界附近的星星，但從你的角度看，它們並不在黑洞後面，而是在黑洞前面。

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然而，你看到的大部分光線來自於落入黑洞的物質。引力也將物質扯碎，並將其壓扁，所以它看起來就像一種被稱為吸積盤的光暈。

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吸積盤

你在動畫中看到的都是由引力對光的扭曲造成的。實際的盤子就像土星的環。下面是你真正看到的情況的示意圖。

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吸積盤的一部分/圖片來源：NASA/GODDARD

如果地球變成了一個黑洞，其事件視界的半徑大約為1釐米。然而，在距離中心6400公里左右的地方，你受到與站在地球表面一樣的重力。

理論上，你可以在一個地球質量的黑洞周圍構建一個薄殼，並且薄殼上的引力與真實的地球完全相同（由於密度的變化，有一些差異）。這引起了埃隆·馬斯克（Elon Musk）的興趣，讓他投資一項技術，以獲得那樣的中央黑洞。

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然而，與下圖中包含大量陸地不同的是，物體往往會從空心地球的底部落入中心黑洞，這意味著地殼必須由一些非常強大的物質構成。

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空心地球的內部。威廉-布拉德肖，《阿特瓦塔巴爾的女神》（1892）。

任何東西都無法逃離黑洞，其原因與黑洞的引力無關。儘管較小恆星大小的黑洞在它們的視界上確實有很強的引力，但特大質量黑洞的引力相對較弱。你可能會認為只要輕輕一拉，你就能逃脫，但事實並非如此簡單。

當一個黑洞變得越來越大時，從外部觀察者的角度來看，它最終不再有太大的拉力。不是強大的引力是原因，而是因果關係的本質使事件視界完全彎曲。任何越過黑洞事件視界的東西都只是將其未來的因果結構彎曲到了黑洞中，這樣它就不能再影響事件視界外的任何東西。

任何試圖用繩子把人拉出黑洞的嘗試都是註定要失敗的。即使它能克服黑洞引力，它也無法改變掉入黑洞的物質的光錐。作為一個外部觀察者，你只會看到時間在你的繩子接近黑洞時變慢。當它的一部分越過黑洞時，你將不再看到它在那一點上的存在，它似乎是凍結在時間裡的，並且發生了無限的紅移。如果你試圖拉緊它，繩子會因黑洞這邊的潮汐力而斷裂。

如果你不幸地落入黑洞，你將走向“奇點”，它將像一個黑暗的行星出現在你面前。你將看不到它或裡面的任何物質。事實上，你不可能看到任何比你更接近奇點的物質。

原因是，當你落入時，你的未來光錐，也就是你在未來能影響的空間區域，向奇點彎曲。與此同時，你過去的光錐，也就是所有能影響你的東西，則向事件穹界彎曲。這意味著，任何比你更接近事件穹界的東西都在你的過去，而任何比你更接近奇點的東西都在你的未來。

你可以把這想成是你在正北的平坦平原上行走。北方是你的未來，南方是你的過去。你遇到了一個坡度逐漸變陡的坑。當你往下走時，你不再是往北走，而是往北往下走。現在你滑倒並開始下降，坑越來越陡峭。最後，你的方向大部分是向下，幾乎沒有向北。你來時的路大部分是向上的，而不是向南的。這也是墜入黑洞的感覺。它真的就像空間中的一個洞。

奇點不像是一個點，而更像是時間上的一堵牆。它不僅成為你的未來，一旦你 “撞上 ”它，你就不再有未來，幾乎就像你回到過去。

然而，關於奇點到底發生了什麼，很多都是猜測，因為它源於一種理論，即愛因斯坦的廣義相對論，該理論根本沒有考慮到量子理論。

當談論物體在奇點之外的表現時，這並不是一個複雜的問題，因為那裡除了引力本身之外什麼都沒有，但是，如果你想知道在奇點中發生了什麼，廣義相對論無法給你答案。從理論上講，奇點具有無限的密度，時空結構就在那裡 “斷裂”。

根據廣義相對論，普通的恆星和行星也有奇點。但這些只是簡化，因為我們並不關心它們的內部。旋轉的黑洞有環狀奇點。理論上，一個物體可以穿過環狀奇點，然後出現在另一個地方，因為環形奇點可以像一個

蟲洞

一樣。蟲洞可以是可逆的，也可以是不可逆的，需要某種奇特的負質量物質來保持開啟狀態。它們也與黑洞密切相關，黑洞是創造蟲洞的主要推手。

為了能夠穿越，環形空間必須是一個 “裸露的奇點”，這意味著它周圍不能有事件視界。否則旅行者將無法出來。這使得坍縮恆星不適合進行時空旅行。然而，在量子領域，蟲洞有可能自發形成，這可能是量子資訊逃離黑洞的一種可能手段，因為它們可以跨越事件視界形成。如果是這樣，這意味著雖然物質的未來將在奇點結束，但它的資訊可以繼續存在。資訊可能要花上萬億年的時間才能真正出現，黑洞也會坍塌和消散，但這最終會發生，這證明了即使是黑洞也不能在它們消失時帶走資訊。

人類是否能利用蟲洞進行時間旅行或比光速更快的旅行。答案可能是否定的，但仍有待討論。

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點狀奇點和環狀奇點充其量都是模型，使人們更容易討論它們周圍發生的事情，方程也更容易，因為你不必處理奇點本身的外部和內部之間的邊界條件，因為它們不存在。

現實情況是，量子效應幾乎保證了不存在奇點這種東西，而我們認為的奇點是非常小但仍然延展的物體。

宇宙中沒有任何已知的力可以阻止物質坍縮成黑洞（一旦開始坍縮）。恆星利用電磁力來避免自身坍縮。但隨著它們的冷卻，它們將會逐漸塌縮。一顆足夠大的恆星可以坍縮成中子星，這是宇宙中密度最大的物體之一。中子星使用一種叫做泡利不相容原理的量子現象來維持自身。這意味著組成它們的中子不可能同時出現在同一個地方。因此，它們互相迴避，這就產生了一種排斥力。

如果質量足夠大，就可以克服這一原理，理論上所有的物質都可以同時出現在同一個地方。黑洞可能是由可以全部存在於同一個地方的物質組成的，稱為玻色子。沒有不相容原理或電磁力，就沒有另一種排斥力來抵擋引力，防止坍縮。因此，理論上，所有物質都可以坍縮成一個點。

然而，當物質塌縮在一起時，力就不再像它們在普通情況下那樣表現。例如，我們知道在非常小的尺度上，宇宙的常數會發生變化。有充分的理由認為，物質對自身的引力在較小的尺度上實際上會變弱。同時，自我引力的相互作用（引力對自身的推力或拉力）變得更強。這意味著引力的行為更像黑洞內漩渦的湍流。這被稱為 “反作用”，是黑洞研究的一個活躍話題。

一個類似的現象發生在流體中。當有一個旋轉的流體漩渦時，在遠離漩渦的地方，粘度的影響可以忽略不計，但當靠近它時，粘度就起了主要作用。當然，粘度是由流體與自身相互作用造成的。在一個湍流漩渦內，不能忽視粘性。如果我們不關心漩渦內部發生了什麼，但需要了解它與周圍環境的相互作用，就假裝漩渦是一個一維的絲狀物，並在數學上將粘度的作用納入絲狀物本身的行為，就像奇點一樣。

事實上，由於這個原因，水旋渦已被用來模擬黑洞。

同樣，黑洞奇點的內部結構也與外界大不相同，因為引力從外部表現平穩到內部極度湍流。你不能再忽視引力與自身的小尺度相互作用，這些相互作用遠遠強於它與物質的相互作用。

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不幸的是，對含有非零大小的 “核心 ”而不是奇點的黑洞的分析表明，它們在愛因斯坦的相對論中是不穩定的，也就是說，如果沒有緩和因素，它們不可能長期存在。這些緩和因素從根本上說必須是量子的，不能僅歸結為愛因斯坦理論中的經典反作用行為，因為這些效應太小了。量子效應很可能會放大反作用，並創造出在經典物理學中不穩定的穩定區域。

很少有科學家相信黑洞奇點是真實存在的，但到目前為止，我們還沒有找到對非奇點黑洞的連貫描述。數學上，我太熟悉奇點了，它是一種計算上的便利，所以我不相信它們是物理現象。我們只能希望透過找到最小尺度的引力的連貫描述，即引力的量子理論，來了解黑洞核心的內部是什麼樣的。