我們先從黑洞的形成來分析一下：

我們都知道引力，其實(shí)引力是一種很弱的力，即使地球的質(zhì)量高達(dá) 6×10^24 千克，你也可以跳起來，或者乘飛機(jī)飛到天空中去。

但是你的這種自由只是暫時(shí)的，物體通常在離地之后總會(huì)再落下來，除非你的速度超過一定數(shù)值。 如果你能以每秒 11 千米的速度從地面上跳起，你就可以逃脫地球的引力?？茖W(xué)家至少要以這樣的逃逸速度發(fā)射火箭才能將飛行器送入太空。

一個(gè)天體體型越大，物質(zhì)排列越緊密，其逃逸速度就越高。從木星、太陽到白矮星、中子星，它們的逃逸速度是依次遞增的。 然而，最大的那些恒星的核心坍縮之后會(huì)形成一個(gè)密度極高的物體，這就是「黑洞」，其逃逸速度甚至比光速還要高。 因?yàn)闆]有什么能比光傳播得更快，所以也沒有什么東西能從這些「黑洞」中逃脫。

這就是它們名字的來歷——所有的光線都被它們吞了進(jìn)去，所以它們看起來是黑色的。 如果你太靠近黑洞，就會(huì)被它的引力永久地困住，不管多大的推動(dòng)力都不能讓你擺脫它的魔爪，而這個(gè)無法逃離的邊界被稱為「事件視界」。

當(dāng)跨過這條邊界的時(shí)候，你可能都沒覺得有什么不對(duì)勁兒的地方，但是這會(huì)改變你的命運(yùn)。 假如你的腳先跨過事件邊界，那么黑洞對(duì)你的腳的引力比對(duì)你的頭的更大，并且二者之間的差異最終會(huì)超過原子鍵的強(qiáng)度，這時(shí)你會(huì)被拉長(zhǎng)，物理學(xué)家稱其為「意大利面條化」。

那么，當(dāng)你被黑洞扯成一根長(zhǎng)長(zhǎng)的意大利面的時(shí)候，你會(huì)落入何處呢？這是現(xiàn)代物理學(xué)中最棘手的問題之一。

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，嚴(yán)格地說，恒星的核心最終會(huì)坍縮成一個(gè)體積無限小、密度無限大的點(diǎn)，我們稱之為「奇點(diǎn)」，空間和時(shí)間都在此處完結(jié)。

我們通常認(rèn)為，落入黑洞的物體都被吸入了奇點(diǎn)。

質(zhì)量最大的那些恒星在死亡時(shí)會(huì)形成一個(gè)將時(shí)空扭曲到極限的黑洞，任何東西都無法從中逃脫 不過，這可能還沒有揭示全部的真相，因?yàn)樗雎粤肆孔游锢碇袑?duì)于微觀尺度下物質(zhì)規(guī)律的描述。

引力波

2015 年 9 月 14 日被載入科學(xué)史，成為具有里程碑意義的一天。在這一天，我們打開了一扇觀測(cè)宇宙的新窗戶。這件事要從非常非常遙遠(yuǎn)的星系說起。

大約在 13 億年前，兩個(gè)黑洞——其中每一個(gè)黑洞的質(zhì)量大約都是太陽的 30 倍——在相互纏繞、旋轉(zhuǎn)后相撞。這次相撞的動(dòng)靜實(shí)在太大，巨大的沖擊波沖破了時(shí)空原本的結(jié)構(gòu)，以光速向外傳播，這些引力波最終于 2015 年 9 月到達(dá)地球。

正巧，我們?cè)谀菚r(shí)剛剛啟動(dòng)了一臺(tái)能夠捕獲引力波信號(hào)的探測(cè)器。隨后在 2015 年 12 月、2017 年 1 月以及 2017 年 8 月，我們又檢測(cè)到了別的黑洞合并過程中的引力波。 另外，科學(xué)家們還在 2017 年 8 月捕獲到了兩顆中子星合并所產(chǎn)生的引力波信號(hào)。未來，我們一定還會(huì)捕獲越來越多的引力波。

引力波這一概念早在一個(gè)世紀(jì)前便已被提出。愛因斯坦早在 1915 年提出廣義相對(duì)論時(shí)就預(yù)言了引力波的存在，但是我們卻用了整整 100 年才第一次探測(cè)到它的信號(hào)。 這是因?yàn)橐Σň拖癯靥林械臐i漪，會(huì)在向外傳播的過程中逐漸消失，引力波在抵達(dá)地球時(shí)已經(jīng)變得很微弱了，因此很難被探測(cè)到。

13 億光年，這是一段相當(dāng)長(zhǎng)的路程。

用于探測(cè)引力波信號(hào)的是激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO），它是由兩臺(tái)分別位于美國華盛頓州和路易斯安那州的探測(cè)器組成，這兩臺(tái)探測(cè)器都是由兩根 4 千米長(zhǎng)的真空管組成的直角。 一束激光經(jīng)過一個(gè)分光器，分成兩部分射向兩條真空管的末端，然后被末端放置的鏡片反射回來。

一般情況下，兩邊的激光會(huì)在相同的時(shí)間回到出發(fā)點(diǎn)。 但是，如果引力波在激光傳播的過程中到來，那么其中一根管道中的空間就會(huì)被輕微地拉伸和收縮（因?yàn)橐Σ▽?shí)質(zhì)上是時(shí)空結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)），這就意味著一束激光回來的落點(diǎn)也會(huì)發(fā)生改變。 LIGO 的靈敏度相當(dāng)高，可以探測(cè)相當(dāng)于質(zhì)子（原子中心帶正電的粒子）直徑的 1/10000 的距離改變。

再打一個(gè)比方，它可以測(cè)量出地球到比鄰星（除太陽之外離我們最近的恒星）之間 40 萬億千米長(zhǎng)的距離中一根頭發(fā)絲直徑的變化。

2017 年 10 月，為這一發(fā)現(xiàn)做出努力的三位科學(xué)家被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這些探測(cè)意義非常重大，因?yàn)楹芏嘤钪嬷械闹卮笫录l(fā)生后只會(huì)發(fā)出引力波信號(hào)，而我們終于能夠探測(cè)到這些事件了。

時(shí)間膨脹

愛丁頓于1919 年完成的日食觀測(cè)，證實(shí)了愛因斯坦的廣義相對(duì)論中提出的一個(gè)觀點(diǎn)：

大質(zhì)量物體會(huì)扭曲其周圍的空間結(jié)構(gòu)，而引力波的發(fā)現(xiàn)則進(jìn)一步鞏固了該觀點(diǎn)。 事實(shí)上被扭曲的不僅僅是空間，時(shí)間也是如此。還記得愛因斯坦把時(shí)間和空間合并為一個(gè)被稱為時(shí)空的四維結(jié)構(gòu)嗎？

這告訴我們，時(shí)間流逝的速度會(huì)隨著時(shí)空扭曲程度的不同而改變，如果你靠近一個(gè)重物，你的時(shí)間就會(huì)比別人的時(shí)間流逝得更慢。 即使是在地球上，這種時(shí)間的膨脹也是非常需要注意的。對(duì)于儲(chǔ)存在實(shí)驗(yàn)室里不同架子上的那些有著極高精準(zhǔn)度的原子鐘而言，如果有哪一個(gè)被放在更靠近地面的位置，那么最終它們就會(huì)無法同步。

我們還會(huì)定期修正 GPS 衛(wèi)星上的時(shí)鐘，因?yàn)樗鼈兾挥谔罩校瑫r(shí)空扭曲的情況更輕，時(shí)間流逝得比地面上更快。 不過在黑洞附近，這種時(shí)空扭曲的程度會(huì)非常明顯。

在風(fēng)靡一時(shí)的影片《星際穿越》中，繞著黑洞飛行的宇航員所經(jīng)歷的 1 個(gè)小時(shí)相當(dāng)于我們?cè)诘厍蛏辖?jīng)歷 7 年。

如果目送一個(gè)人逐漸接近黑洞，你會(huì)發(fā)現(xiàn)他們身上發(fā)生的一切都變得越來越緩慢，最后，當(dāng)他們的身體即將跨越事件視界的時(shí)候，他們看起來就像被凍住了一樣。 在你看來，他們的時(shí)間已經(jīng)完全停止了；但在他們看來，是你的時(shí)間停止了。

這是引力時(shí)間膨脹，但還有一種由速度引起的時(shí)間膨脹。如果我說「飛人」博爾特在 100 米短跑中能贏你，你一點(diǎn)兒都不會(huì)驚訝，因?yàn)樗芤愿斓乃俣葋砜邕^空間。

如果我說博爾特能比你更快地度過時(shí)間，可能你就會(huì)覺得有些奇怪了，但事實(shí)的確是這樣，因?yàn)閷?shí)際上你們是在時(shí)空中賽跑。

在這個(gè)例子中，你和博爾特的速度差異并不是很大，所以時(shí)間流逝的速度在你們兩者之間的差異也很小，而當(dāng)速度差異更大就會(huì)產(chǎn)生更明顯的效果。 宇航員根納季·帕達(dá)爾卡（Gennady Padalka）保持著在太空中停留時(shí)間最長(zhǎng)的世界紀(jì)錄——1998 至 2015 年，他在和平號(hào)空間站以及國際空間站中共計(jì)停留了 879 天。

在這段時(shí)間中，他以每小時(shí) 28 000 千米的速度行進(jìn)?？紤]到上述兩種原因引起的時(shí)間膨脹，如果他一直待在地面上的話將會(huì)比現(xiàn)在老 0.02 秒。 這使得帕達(dá)爾卡成了人類歷史上最偉大的時(shí)間旅行者，他向未來旅行了 1/50 秒。

白洞與蟲洞

如果說黑洞是一個(gè)你永遠(yuǎn)無法從中逃離的存在，那么白洞就是你永遠(yuǎn)無法返回的地方。 黑洞只進(jìn)不出，而白洞只出不進(jìn)。不過目前，白洞還只是理論性推測(cè)，只存在于愛因斯坦廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中。 物理學(xué)家們?cè)诳疾旌诙粗械奈矬w接近奇點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生什么的問題時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)「白洞」。

新西蘭物理學(xué)家羅伊·克爾（Roy Kerr）在 20 世紀(jì) 60 年代時(shí)提出，黑洞中的奇點(diǎn)并不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)環(huán)。 通常情況下，一個(gè)撞入奇點(diǎn)的物體會(huì)被奇點(diǎn)從時(shí)空中抹去，但是如果克爾環(huán)（克爾提出的這個(gè)「環(huán)」）存在的話，它就能毫發(fā)無損地穿過去。

那么，這個(gè)穿過克爾環(huán)的物體去哪兒了呢？

克爾根據(jù)愛因斯坦方程計(jì)算得到的結(jié)果顯示，它會(huì)進(jìn)入一個(gè)被稱為「愛因斯坦–羅森橋」的隧道，然后在另一端被白洞「吐」出。

有些人認(rèn)為物體從白洞出去之后到達(dá)的仍然是我們所在的宇宙內(nèi)部，只是位置發(fā)生了變化，而另外一些人則認(rèn)為物體此時(shí)已經(jīng)處于另一個(gè)宇宙中了。

無論哪一種說法是對(duì)的，由于白洞只能出不能進(jìn)，這個(gè)物體都無法再通過白洞回到原來所在的地方。 愛因斯坦–羅森橋有一個(gè)更為通俗的名字：蟲洞。這個(gè)名字來源于蟲子在蘋果中運(yùn)動(dòng)時(shí)做出的選擇，它既可以選擇從蘋果的表面爬到想要去的地方，也可以選擇在蘋果內(nèi)部穿行一段更短的路徑。

我們常常在科幻小說中見到作為時(shí)間和空間上的捷徑的蟲洞。確實(shí)，蟲洞的物理特性表明我們也許可以借助它回到過去。

但是，如果它們存在的話——這是一個(gè)相當(dāng)大膽的假設(shè)——它們可能很不穩(wěn)定，并且很快就會(huì)關(guān)閉。

時(shí)空可能會(huì)以圖中的方式彎曲，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)一條捷徑，我們可以利用它來進(jìn)行時(shí)間旅行 所以，就目前掌握的情況而言，白洞和蟲洞只是數(shù)學(xué)上的有趣推論，倘若有一天我們真的找到萬物理論，情況可能會(huì)發(fā)生變化。

霍金輻射

作為一名理論物理學(xué)家和宇宙學(xué)家，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）教授終其一生都在鉆研黑洞的奇異特性。他最重要的貢獻(xiàn)之一，就是提出黑洞會(huì)在被稱作「霍金輻射」的效應(yīng)下逐漸蒸發(fā)。

物理學(xué)家知道，看似空曠的宇宙不可能真的是空的。宇宙不斷地將能量轉(zhuǎn)化為一些成對(duì)的粒子，它們就像灰姑娘的馬車一樣，很快就會(huì)消失，否則就違背了物理定律。 而霍金天才般地將這一過程放到黑洞的事件視界上。

他想象出的場(chǎng)景是這對(duì)粒子中的一個(gè)落入了黑洞中，而另一個(gè)在外面，由此它們就再也無法一起成對(duì)消失了，于是一個(gè)被黑洞吸收，另一個(gè)則逃到無邊無際的宇宙中。 這個(gè)落單的粒子在向外逃逸時(shí)會(huì)吸收一部分來自黑洞的能量，而它帶著能量向外傳遞的過程就是霍金輻射。 但是帶走的這些能量對(duì)于黑洞來說只是九牛一毛，一個(gè)黑洞需要 2 000 億億億億億億億億年才會(huì)完全蒸發(fā)，這個(gè)數(shù)字是 2 后面有 67 個(gè) 0！

也就是說，黑洞并不完全是黑的，它們會(huì)以霍金輻射的形式發(fā)出極為微弱的光芒。

萬物理論

史蒂芬·霍金在黑洞通過霍金輻射逐漸蒸發(fā)的研究中結(jié)合了物理學(xué)中最重要的兩個(gè)理論：量子力學(xué)——微觀尺度下粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，以及愛因斯坦的廣義相對(duì)論。

對(duì)于黑洞這樣一個(gè)獨(dú)特的物體來說，這兩種理論都很重要。通常情況下，對(duì)引力以及行星的公轉(zhuǎn)軌道進(jìn)行計(jì)算時(shí)不需要考慮量子力學(xué)；同樣，解釋原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)也不需要考慮引力。

但黑洞是不一樣的，當(dāng)恒星發(fā)生坍縮時(shí)，大量物質(zhì)被塞進(jìn)了一個(gè)很小的空間中，引力突然在原子大小的尺度上也起到了作用。 廣義相對(duì)論描述了引力是如何由彎曲的時(shí)空引起的，如果嚴(yán)格按照這種說法，是黑洞將彎曲的時(shí)空成了一個(gè)叫作奇點(diǎn)的東西。

但是體積無限小、密度無限大對(duì)于一個(gè)物體而言到底意味著什么呢？量子力學(xué)的規(guī)律對(duì)于一個(gè)比原子還小的空間來說還有效嗎？

物理學(xué)家們非常重視這些問題，并且一直試圖將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論結(jié)合成一個(gè)理論——一個(gè)可以用于解釋宇宙萬物的通用框架，從最小的亞原子粒子到最大的超星系團(tuán)全都適用，這就是萬物理論。

然而，物理學(xué)家在這條探索之路上屢屢受挫。這兩種理論就是不太能很好地結(jié)合在一起。它們是完全不兼容的，對(duì)其中一個(gè)理論的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生與另一個(gè)理論的不可調(diào)和的分歧。 而這促使物理學(xué)家們開始探索更加極端的可能性，其中包括探索更多的維度——而非我們熟悉的三維時(shí)空。

（超）弦理論與圈量子引力

近年來，由于美國哥倫比亞廣播公司（CBS）熱播劇《生活大爆炸》中那個(gè)與社會(huì)格格不入的天才謝爾頓·庫珀（Sheldon Cooper）高漲的人氣，弦理論已成為流行文化的一部分。

它是物理學(xué)家試圖統(tǒng)一量子力學(xué)和萬有引力、探索萬物理論的方法之一。 這一理論的基本前提是，我們周遭的一切都是由很小的弦發(fā)生振動(dòng)構(gòu)成的。

就像用不同的方式在樂器上撥動(dòng)琴弦會(huì)產(chǎn)生不同的音符一樣，這些弦的振動(dòng)會(huì)創(chuàng)造出各種亞原子粒子。而把這與超對(duì)稱性理論相結(jié)合，就有了超弦理論。 弦理論的研究者可以使用這一模式來將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論結(jié)合在一起，但是他們的方程只有在空間有 9 個(gè)維度時(shí)才成立。

這些物理學(xué)家為了解釋為什么我們所見到的世界是 3 維的，提出其他維度蜷縮到了微觀世界中，我們無法觀察到它們。

但是，目前仍然沒有任何證據(jù)顯示這些維度真的存在，也無法證明超弦理論不只是一個(gè)存在于數(shù)學(xué)推導(dǎo)中的幻想。 在《生活大爆炸》的前幾季中，謝爾頓有一個(gè)死對(duì)頭叫作萊斯莉·溫克爾（Leslie Winkle），她的研究重點(diǎn)是圈量子引力論，這是另一個(gè)將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論結(jié)合在一起的理論。

愛因斯坦認(rèn)為，時(shí)空是一種連續(xù)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)它被大質(zhì)量物體彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生引力。但是在量子力學(xué)中，沒有任何東西是連續(xù)的。

在圈量子引力論中，時(shí)空量子也是不連續(xù)的，而是由一些閉合的環(huán)編織而成的結(jié)構(gòu)，就像羽絨被一樣。 起初，它看起來像是一個(gè)整全的編織物，但是在顯微鏡下你會(huì)發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上是由一個(gè)個(gè)獨(dú)立的針腳組成的。

在圈量子引力論中，時(shí)空并不是平滑的，而是呈顆粒狀，這可以通過某些方式進(jìn)行驗(yàn)證。 天文學(xué)家正在觀測(cè)并研究來自遙遠(yuǎn)星系的光，驗(yàn)證其是否在傳播過程中被這種時(shí)空結(jié)構(gòu)所改變。