2014年年底，有一部叫作《星際穿越》的電影火遍全球，它是英國(guó)著名導(dǎo)演諾蘭歷時(shí)多年拍攝成功的。這部電影上映后，在全球掀起了一股時(shí)空穿越的熱潮。電影講述了一位宇航員在面臨地球?yàn)?zāi)難、人類滅絕的時(shí)候，去深空（在地球大氣極限以外很遠(yuǎn)的空間，包括太陽(yáng)系以外的空間）探索，找到幫助人類建立第二家園的方法，最后成功將人類送到太空，使人類得以解救的故事。

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與好萊塢典型大片相比，這個(gè)故事本身是平淡無奇的，但是在主角們的探險(xiǎn)過程中，他們卻經(jīng)歷了在平凡人看來很難以置信的事情。其中很多是天體物理方面的知識(shí)，比如蟲洞、黑洞，還有引力波等等。這些東西在一般人看來非常難以理解，所以作為這部電影的科學(xué)顧問，基普·索恩（Kip Thorne）教授還寫了一本名為《星際穿越》（The Science of Interstellar）的書，專門講解這些天體物理知識(shí)?；铡に鞫魇羌又堇砉ご髮W(xué)的頂尖教授，也是國(guó)際頂尖的天體物理學(xué)家。在電影的制作過程中，他提供了很多天體物理原型，并在特效公司的幫助之下，將這部影片打造成了2014年度最炫的電影，摘得奧斯卡最佳特效獎(jiǎng)。

如果你看過電影，那么應(yīng)該記得當(dāng)中最令人震撼的一幕就是黑洞以及黑洞周圍的吸積盤。今天，我就利用這短短的十多分鐘，帶領(lǐng)大家進(jìn)行一場(chǎng)黑洞的時(shí)光之旅。

什么是黑洞？在講黑洞之前，我要從中國(guó)的神獸貔貅講起。貔貅有什么特點(diǎn)呢？就是只進(jìn)不出。在宇宙當(dāng)中，有一個(gè)與貔貅非常類似的天體，它的名字就叫“黑洞”。它可以將在周圍的任何物質(zhì)都吸進(jìn)去，甚至連光都無法逃脫。當(dāng)我們能看到一個(gè)物體的時(shí)候，必須要通過一定的媒介，通常，這個(gè)媒介就是光。所以，當(dāng)光都不能傳播出來的時(shí)候，我們就不能看到它。同理，當(dāng)我們?nèi)タ春诙催@個(gè)物體的時(shí)候，因?yàn)楣舛疾荒軅鞑コ鰜恚晕覀兛吹降木椭荒苁且粋€(gè)黑色的區(qū)域。而且，我們從各個(gè)方向去看黑洞的時(shí)候，都不能看到它，所以它應(yīng)該是一個(gè)球體。就像下面這幅漫畫里所說的，它是黑色的，它是一個(gè)洞，所以我們稱之為“黑洞”。

那么，黑洞的物理結(jié)構(gòu)是什么樣的？它其實(shí)相當(dāng)簡(jiǎn)單，由兩部分構(gòu)成，一部分叫作“視界面”。在視界面之內(nèi)，任何物體包括光都不能逃逸出來，但是要記住，這個(gè)視界面僅僅是一個(gè)虛擬的界面，并不是實(shí)實(shí)在在的球體。另外一部分就是視界面球體中心上一個(gè)叫作“奇點(diǎn)”的東西。

奇點(diǎn)是什么呢？人類對(duì)于奇點(diǎn)的認(rèn)識(shí)是不斷變化的。在最開始愛因斯坦相對(duì)論出現(xiàn)以后，我們認(rèn)為奇點(diǎn)就是一個(gè)質(zhì)量無窮大，但是又沒有體積或者體積特別小的天體。但是，隨著量子引力的出現(xiàn)，我們現(xiàn)在意識(shí)到它的中間有可能是有一定體積的，但是還是特別小。那么，奇點(diǎn)是什么形狀的呢？是一個(gè)點(diǎn)，還是其他形狀？在這里，我要指出一個(gè)所謂量子泡沫的東西，它就如我們現(xiàn)實(shí)生活中看到的肥皂泡一樣。奇點(diǎn)上有好多類似的泡沫，但是這些量子泡沫是由許許多多的彎曲空間所構(gòu)成的，而這也正是我們可以用來進(jìn)行時(shí)空穿梭的媒介。

黑洞的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，當(dāng)然也正是因?yàn)槠浜?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，我們可以用很簡(jiǎn)單的3個(gè)量去描述它，這3個(gè)量分別是質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)和電荷。我們知道這3個(gè)量以后，就可以完整地描述一個(gè)天體。因?yàn)橹挥?個(gè)量，所以我們通常稱之為“三毛定理”，有的時(shí)候?yàn)榱撕?jiǎn)單，我們就稱之為“無毛定理”。與它相比，周圍任何一個(gè)物體或者一個(gè)人可能都更為復(fù)雜，因?yàn)樾枰f萬個(gè)參數(shù)或者量去描述，或者千千萬萬都不夠。

黑洞是一個(gè)強(qiáng)引力的集合體，所以，對(duì)于黑洞的認(rèn)識(shí)正體現(xiàn)了對(duì)引力的認(rèn)識(shí)。從17世紀(jì)牛頓發(fā)現(xiàn)質(zhì)量有可能是引力產(chǎn)生的源泉以來，我們對(duì)于黑洞的認(rèn)識(shí)也發(fā)生了巨大的變化。首先，如果質(zhì)量影響引力，那么我們就可以這樣想象：當(dāng)質(zhì)量大到一定程度的時(shí)候，光可能就跑不出去了。如果把我們的地球壓縮到這樣的尺度，那是多大呢？簡(jiǎn)單計(jì)算后我們發(fā)現(xiàn)其半徑為0.9厘米?，F(xiàn)在地球的半徑是6400公里，從6400公里到差不多1厘米，要經(jīng)過了好幾億的尺度變化，所以可以想象它的密度發(fā)生了更為巨大的變化。

這是牛頓時(shí)代對(duì)引力的認(rèn)識(shí)。到了愛因斯坦時(shí)代，這一認(rèn)識(shí)又有了很大的不同。愛因斯坦在1915年（大約在100年前）發(fā)表了一篇論文，提出了廣義相對(duì)論，對(duì)引力有了完全不一樣的認(rèn)識(shí)。他認(rèn)為，引力是因?yàn)橘|(zhì)量對(duì)時(shí)空造成了彎曲，而彎曲的時(shí)空造成了引力場(chǎng)。在下面這幅圖當(dāng)中，我們可以看到，在一張平直的薄膜上面，不同質(zhì)量的物體對(duì)于一個(gè)平面所造成的變形是不一樣的——重的物體的變形更大一點(diǎn)，而輕一點(diǎn)的變形則小一點(diǎn)。

我們也可以想象，空間是一張薄膜，如果沒有任何物體存在的時(shí)候，它就是一張平直的、沒有變形的薄膜。但是，當(dāng)我們把一個(gè)天體，比如太陽(yáng)、中子星，黑洞甚至更為致密的黑洞放到上面去的時(shí)候，它對(duì)空間所造成的變形就完全不一樣了。以下這張圖上就展示了各種天體對(duì)于空間所造成的變形。

而且，在對(duì)于引力的不一樣的認(rèn)識(shí)中，我們才發(fā)現(xiàn)了時(shí)間的一些有趣現(xiàn)象。在愛因斯坦的廣義相對(duì)論中有一個(gè)很奇妙的結(jié)論：空間彎曲越大，時(shí)間流淌越慢。很多人都在追求所謂的長(zhǎng)生不老或者永葆青春，所以如果我們能夠活在靠近空間彎曲更為強(qiáng)烈的地方，那么自然會(huì)消耗更短的時(shí)間。當(dāng)我們觀看電影《星際穿越》的時(shí)候，我們看到當(dāng)主人公庫(kù)珀回來的時(shí)候，時(shí)間幾乎沒有在他身上發(fā)生任何變化，而他的女兒卻已經(jīng)變成了一個(gè)老太太。按照物理法則來計(jì)算，他們?cè)诿桌招乔虻?小時(shí)相當(dāng)于地球上的7年，這個(gè)時(shí)間一下子被拉伸了6萬倍。這是什么概念？合理的解釋就是，米勒星球其實(shí)更靠近空間彎曲更大的黑洞附近。

我們?cè)谏裨捁适庐?dāng)中經(jīng)常聽到有人說：“天上一天，地上一年?！蓖ㄟ^借鑒以上理論，我們就很容易解釋神仙所住的地方，其實(shí)就是更靠近引力場(chǎng)或者空間彎曲比我們地球上空間彎曲更大的地方。

在我們的宇宙當(dāng)中到底有沒有發(fā)現(xiàn)黑洞呢？現(xiàn)在大量的觀測(cè)已經(jīng)表明，我們這個(gè)宇宙當(dāng)中有很多黑洞?？傮w而言，這些黑洞可以分為兩大類：一類叫作“恒星級(jí)黑洞”，另外一類叫作“超大質(zhì)量黑洞”。前者的質(zhì)量大約是10個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，而后者的質(zhì)量是在幾百萬甚至幾億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。雖然它們的質(zhì)量有著這么大的差別，但是最終它們表現(xiàn)出來的卻有著極大的相似性。

首先，它們有一個(gè)圍繞自身轉(zhuǎn)動(dòng)的氣體盤。其次，它們有一種從黑洞中心噴射出來的氣體物質(zhì)，在天文學(xué)當(dāng)中叫作“噴流”。正是因?yàn)橛袣怏w盤，黑洞會(huì)產(chǎn)生輻射，而這些噴流也會(huì)產(chǎn)生輻射，所以我們才能夠看到黑洞。否則，我們是沒有辦法探測(cè)到黑洞的。

這些黑洞是怎么產(chǎn)生的呢？一般來說，質(zhì)量大約為幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星在死亡后會(huì)塌縮成黑洞。這是因?yàn)楹阈莾?nèi)部有熱核反應(yīng)，它本身能夠支撐自身的重量，但是當(dāng)熱核用完的時(shí)候，就不能支撐重量了，就會(huì)形成黑洞。最后，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特別強(qiáng)烈的爆發(fā)，并在一秒鐘內(nèi)釋放出比太陽(yáng)在一生當(dāng)中所釋放出來的能量還要強(qiáng)100倍的能量。

在日常生活當(dāng)中，我們也會(huì)聽到某個(gè)人在談?wù)摵诙?，他們?cè)谡務(wù)摰臅r(shí)候，往往會(huì)提及時(shí)空穿梭。那么，黑洞是怎么讓我們實(shí)現(xiàn)時(shí)空穿梭的呢？

我們的宇宙處于一個(gè)更高維度的宇宙當(dāng)中，并不是單獨(dú)存在的。如果有一天有一個(gè)人告訴你，其實(shí)在高維空間中有一個(gè)通道連接著地球與織女星，那么這個(gè)通道肯定就是蟲洞。

蟲洞有沒有可能自然產(chǎn)生？完全可能。因?yàn)樵诤诙粗行挠幸恍┢纥c(diǎn)，奇點(diǎn)上有量子泡沫，而這種量子泡沫就可以產(chǎn)生蟲洞。但是問題是，它們存在的時(shí)間和長(zhǎng)度都特別小，分別大約在1.0E-43秒和1.0E-35米這種量級(jí)上，或者更小。所以，我們必須要達(dá)到這種量級(jí)，才能夠讓人類穿梭。也就是說，蟲洞的尺寸必須達(dá)到至少人類的大小，比如米或者千米的量級(jí)；時(shí)標(biāo)的話，必須達(dá)到秒、分或者小時(shí)的量級(jí)，人類才能在蟲洞中穿梭。

我們?cè)趺唇鉀Q這種問題呢？有沒有可能解決呢？或許，我們可以從宇宙的演化當(dāng)中得到一些啟示?，F(xiàn)在有很多觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，我們的宇宙起源于一個(gè)大爆炸，經(jīng)過爆漲，漲到了我們現(xiàn)在觀測(cè)到的豐富多彩的宇宙。

而且，最近的觀測(cè)表明，我們的宇宙當(dāng)中含有一種叫作“暗能量”的成分，它與我們通常所見到的物質(zhì)的性質(zhì)是完全不一樣的。我們知道，根據(jù)牛頓對(duì)于引力的認(rèn)識(shí)，有質(zhì)量存在就有引力，但是暗能量完全相反，它的性質(zhì)能夠提供一種斥力，而這種斥力正是蟲洞所需要的。

經(jīng)常會(huì)有人問我，你研究黑洞有什么意義，今天，在“未來創(chuàng)客”的這個(gè)舞臺(tái)上，我要談一些關(guān)于研究黑洞的重要意義。首先，很直白地講，研究黑洞沒有很直接的社會(huì)影響，但是我想作為一個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科的研究，它是一種人類自由探索意志的體現(xiàn)。我們可以想象，這個(gè)信息社會(huì)的產(chǎn)生，是源于一個(gè)小小的3W協(xié)議。但不為人所注意的是，3W正是粒子物理為了交換大數(shù)據(jù)所催生的。一個(gè)小小的3W協(xié)議竟然撬動(dòng)了我們的整個(gè)社會(huì)，把我們帶到了現(xiàn)在的信息社會(huì)。對(duì)于黑洞的研究，或許就在明天，便會(huì)把我們帶向一個(gè)我們覺得時(shí)空穿梭非常容易，而且非常頻繁的時(shí)代。

本文為茍利軍在“未來創(chuàng)客”上的演講實(shí)錄。

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