黑洞之谜,要从它的核心——奇点讲起。奇点是个密度无穷大、体积为零的抽象概念。但在我们一般人的理解中,黑洞似乎有确定的体积,其实那并非奇点的体积,而是由黑洞的史瓦西半径所围成的球形范围。史瓦西半径,这个与物体质量成正比的参数,不可能是微不足道的。
所谓的史瓦西半径,是指黑洞中心的奇点到其事件视界的距离。无论是什么物体,都有它自己的史瓦西半径。比如地球,其史瓦西半径微小到仅9毫米,这意味着如果地球被压缩成一个黑洞,其事件视界的大小就只有9毫米。
事件视界,如同它的名字所暗示的,是事件的边界。在黑洞的事件视界之内,我们熟悉的四维时空法则不再适用,那里的情景对外部观察者而言无法认知,其内部究竟是何景象,科学家们亦尚未明了。
黑洞的核心,是一个集中了黑洞全部质量的奇点。尽管黑洞的质量可能很大,也可能很小,在理论上甚至可以有大有小,但即便是一个质量只有一千克的黑洞,其密度也是无穷大的,原因在于奇点的体积是如此之小,小到可以忽略不计。
那这个体积为零的奇点,究竟由什么构成?答案是,没有任何已知元素能够组成奇点,奇点甚至不属于我们所熟知的四维时空,时间和空间的法则在奇点面前失效,这也使得科学家们猜想奇点可能来自于“超时空”或高维度的空间。
我们的认知尺度有一个最小极限,即普朗克长度,长度仅有10的负35次方量级,而电子的直径约为10的负15次方量级,两者相差20个数量级,可见普朗克尺度是多么微小。对我们而言,任何小于普朗克长度的尺度都是无法理解的,因此奇点的构成对我们来说是一个谜,它并非由我们已知的任何元素构成。
不仅仅是黑洞,即使是中子星和白矮星,它们也不是由我们熟知的元素构成。例如,小质量恒星在生命末期会留下一个密度极高的内核——白矮星。我们的太阳在约50亿年后也将走向这一结局。质量在0.5倍到8倍太阳之间的恒星,其终局都是白矮星。
白矮星的密度高得惊人,每立方厘米的质量可达1吨到10吨,远超我们所知的所有元素。白矮星内部的原子已经被压扁,核外电子不再束缚,几乎成了自由电子,但仍保持着原子的结构。
白矮星内部的稳定是由电子简并压和引力的平衡来维持的,这阻止了白矮星的进一步坍缩。我们可以把白矮星看作是电子简并态的物质。电子简并压,是根据泡利不相容原理,多个粒子不能处于同一量子态,这导致了电子间斥力的存在,阻止白矮星在引力作用下进一步坍缩。
再举个例子,假设你和我是两个微观粒子,你喜欢独处,当我尝试进入你的私人空间时,你把我推开,这就是电子简并压的作用。然而,电子简并压并非万能,也有其极限。如果白矮星通过吸积物质使其质量达到钱德拉塞卡极限,即大约1.44倍太阳质量时,电子简并压便无法抵御引力,白矮星开始进一步坍缩,最终引发超新星爆炸,转变为中子星。
中子星的构成则更为奇特,它将所有的电子都压入原子核,与质子结合,转化成中子,从而形成一个巨大的“原子核”,密度极高,每立方厘米的质量可达到10亿吨。中子星的稳定性靠的是比电子简并压更强的中子简并压。但中子简并压也有极限,即奥本海默极限,大约相当于3个太阳的质量。超过这个极限,中子星会继续坍缩,最终形成黑洞。
那黑洞又是由何种物质构成的?我们可能不能再用“物质”这个词来描述黑洞了,因为黑洞的构成不是我们熟知的任何物质。我们无法想象,有什么物质能被压缩到如此微小的体积。
“无穷小”是数学领域的一个抽象概念,在实际生活中并不存在。我们所见的任何物体,无论大小,都是具体的,可以用语言来描述。而黑洞,却无法用具体的语言来描述。人类已知的元素有118种,包括人造元素,但它们的密度与黑洞相比,简直微不足道。
以《三体》这本科幻小说中的神秘物质水滴为例,其密度与中子星相当,尽管现实中我们尚未发现此类物质,但仍在可认知范围内。而黑洞中心的奇点,则完全超越了我们的认知,甚至可能超出了四维时空的范畴,是真正的超时空之物。这或许正是奇点看似怪异的缘由。
正因为黑洞奇点可能源自超时空或高维度,科学家们才如此热衷于黑洞的研究,因为一旦解开了黑洞奇点的谜团,我们可能就能打开一扇通向超时空或高维度的大门!