深入真实的黑洞

普通人不会花很多时间去思考黑洞，这也是诸如黑洞倡议（BHI）这样的地方存在的原因。它成立于2016年，位于哈佛大学，是世界上第一个专门致力于研究这些奇幻而神秘的天体的学术中心。

去年，在一次BHI研讨会之后，哈佛大学的天体物理学家Ramesh Narayan与几位同事——物理学家Paul Chesler以及哲学家兼物理学家Erik Curiel——谈论了宇宙中普遍存在的黑洞的内部结构。他们的谈话引出了在BHI经常被问到的问题：如果你掉进一个这样的黑洞会发生什么？你会去哪里，更关键的是，你会在哪里死去？

这次讨论与BHI的大多数讨论不同之处在于，这一次，Narayan、Chesler和Curiel决定真正找到一些答案来解决这些长久以来存在的问题。

黑洞悬赏

他们绝不是第一个深入研究这个问题的人。1915年，阿尔伯特·爱因斯坦公布了他的广义相对论，其中包含10个极其复杂的方程。它们揭示了宇宙物质和能量的分布如何影响其几何结构或曲率，以及这种曲率又如何表现为引力。

不到一年后，卡尔·史瓦西发表了这些方程的第一个解（也是众多解之一）。它明确描述了一个理想物质配置的引力场：完美球形、电中性且不旋转。史瓦西发现，如果这个质量足够紧凑，那么球体的中心将具有一个奇特的性质：其曲率和密度将是无穷大的，从而产生一个被称为奇点的东西，一个名副其实的时空织物的褶皱。

物理学家认为这样的天体，现在被称为史瓦西黑洞，是一个理想化的概念。宇宙中实际存在的东西，包括黑洞，总是在旋转，并且也存在其他不完美之处。

直到1963年，近半个世纪后，数学家兼物理学家罗伊·克尔提出了他自己对爱因斯坦方程的解，该解描述了一个真实、旋转的黑洞周围的空间和引力场——随后被称为克尔黑洞。然而，当其他物理学家在克尔的研究结果的基础上，试图探索这些旋转漩涡内部的奇特物理现象时，他们发现了一些有趣的特征。

根据Curiel的说法，这些特征包括可以让你离开黑洞并进入另一个宇宙的虫洞，以及“闭合类时曲线”——时空中循环的路径，最终会让旅行者回到她开始的时间和地点。这听起来像是科幻小说，但爱因斯坦和克尔的方程表明，这些都是真实的可能性。

并非所有人都接受黑洞内部潜藏着如此奇特的特征。事实上，Chesler说，大多数物理学家将它们视为“克尔解的病态”，极其不稳定，以至于几乎没有意义。“就像笔尖站立一样，如果你以最轻微的方式扰动黑洞，那些特征就会消失。”

至少，这就是在他和同事们决定在他人研究成果的基础上，对克尔黑洞内部进行第一次详细数值模拟时的假设。如果幸运的话，他们就能弄清楚里面到底发生了什么。

开始工作

他们还有很多工作要做。“尽管爱因斯坦的方程已经存在了一百多年，但求解它们极其困难，”Chesler说。Curiel称它们为“可能是物理学中最复杂的方程”。

与静止、完美圆形的史瓦西黑洞不同，旋转黑洞在赤道处有隆起（就像地球和太阳一样）。因为它们缺乏球体的对称性，建模起来需要更多的计算资源。

“为了让任务可行的最大贡献是，我们花了更多时间思考如何解决问题，而不是实际去解决它，”Chesler说。

这意味着要确定他们用来描述模拟黑洞的最佳坐标选择和坐标系——也就是他们将如何测量、建模和导航其周围的空间。回想一下高中数学：当用纬度和经度（或x和y位置）来表示点方便时，你可能会使用笛卡尔坐标。但有时用极坐标——它们到共同原点的距离和方向——来识别点会更容易。

选择合适的坐标和坐标系，就好比在出发公路旅行之前选择最佳路线和地图，并知道沿途要注意哪些地标。糟糕的坐标选择可能会使物理问题无法解决，就像糟糕的路线可能无法让你到达目的地一样。另一方面，良好的坐标选择可以使计算任务更容易管理。

在打好基础后，研究人员就可以开始实际模拟了。“我们从广义相对论的方程开始，”Chesler解释说，“指定一些初始条件，然后观察随着时间推移事物的演变。”模拟计算出了克尔黑洞内部的时空几何——根据爱因斯坦的理论，这与确定引力场大致相同。一旦建立了几何结构，模拟就可以描述入射光线的轨迹——本质上揭示了黑洞的内部结构。整个计算是在一台标准的笔记本电脑上完成的，无需特殊设备。Chesler称之为“卓越的计算，而不是超级计算”。

内部真相

那么，这项工作——其中大部分在《物理学评论D》的一篇论文中有所描述——揭示了克尔黑洞的内部情况呢？与非旋转的黑洞一样，克尔黑洞也有一个中心奇点和一个看不见的事件视界——一个物质和能量永远无法逃脱的球形“不归点”。但是，与静止的黑洞不同，旋转的黑洞还有一个“内视界”——第二个球形且看不见的“不归点”，位于事件视界和中心奇点之间。黑洞旋转得越快，内视界就越靠近事件视界。

为了形象地描述内视界，可以想象一个思想实验：想象你可以进入一个旋转的黑洞，并握着一盏朝外的手电筒穿过事件视界。那束光最终会沿着或在某个球形表面附近冻结。Chesler解释说，那就是内视界：黑洞引力足够强，可以阻止光线离开，但又不足以将其完全拖入中心的那一点。被困住的光会变得能量充沛，形成一个辐射防火墙，将任何穿过它的东西焚烧殆尽。

BHI团队得出结论，内视界还有另一个重要原因。如果一个人的鲁莽或不幸被吸入一个克尔黑洞，“你就会在那里丧命，”Chesler说。他将穿越内视界比作“闭上眼睛，撞向一堵砖墙”。只是在这种情况下，这是一堵极度弯曲的时空、巨大的引力和强烈的辐射构成的墙。对于一个大胆的旅行者来说，内视界代表着终点——一个你会瞬间被撕裂并闪电般烤焦的地方，你的灰烬将以接近光速的速度被送往中心奇点。“结局不会美好，”Chesler说。但它会很快结束。

至于一些研究人员猜测的假设中的虫洞和其他奇特现象呢？Chesler解释说，虫洞“将被黑洞内部无限大的时空曲率所封闭”。就像我们的宇宙是一个巨大而细长的气球，被扭曲直到形成一个中间的结，这个结就是一种奇点。“如果你住在结的一边，你就无法到达另一边去到达另一个宇宙，”Chesler说。事实上，你根本无法知道是否有另一个宇宙或任何其他东西存在于该点之外。它有效地标志着几何本身也走向了终结。在这个越来越平凡的黑洞内部景象中，时间旅行也将被排除。

尽管这可能会让科幻迷感到失望，但BHI三人组发现的防火墙本身就是一个戏剧性的特征——一个可以为许多宇宙探索故事画上圆满句号的元素。此外，它终于为那个熟悉的疑问提供了答案：如果你掉进一个黑洞会发生什么？

Steve Nadis，Discvcover和Astronomy杂志的特约编辑，在马萨诸塞州剑桥市打手球和排球，他与妻子、两个女儿和一只不听话的狗住在一起。这个故事最初以印刷版“勇于尝试”的形式发表。