想象你點(diǎn)燃了一支蠟燭,蠟燭發(fā)出的光向四周傳播,形成了一個(gè)三維氣泡,你會(huì)被這個(gè)氣泡包圍,且永遠(yuǎn)無法逃脫這個(gè)氣泡,這是因?yàn)槟愕乃俣炔荒艹^光速。再想象一下,如果我們只能感知二維空間的切片,此時(shí)的氣泡就會(huì)生成不斷增大的圓圈,將這些圓圈堆疊就會(huì)形成一個(gè)錐形,而這個(gè)錐形被物理學(xué)家稱之為光錐。
時(shí)間、空間、因果關(guān)系這些物理學(xué)中最為基本、最為深?yuàn)W的事物都可以由光錐來描述。光錐是愛因斯坦相對(duì)論中最為重要的結(jié)構(gòu),尤其是它制定了宇宙中最根本的法則:因果關(guān)系。
我們想象,在距離地球很遠(yuǎn)的宇宙深處發(fā)生了一次超新星爆炸,在其爆炸事件的光錐未到達(dá)地球之前,這個(gè)事件將無法影響我們。換言之,在此之前我們無法了解爆炸的任何信息,這是因?yàn)槿魏涡畔鞑サ乃俣炔荒艹^光速,而只有當(dāng)光錐到達(dá)地球時(shí),我們才能看到并感受到這次超新星爆炸事件,這就是所謂的因果關(guān)系,即一個(gè)事件觸發(fā)另一個(gè)事件,都要受到光速的限制。
時(shí)間和空間的區(qū)別是什么?在太空中我們可以往任何方向移動(dòng),我們可以掉頭或者遵循一個(gè)封閉的路徑移動(dòng),但在時(shí)間線上,我們卻無法掉頭。時(shí)光荏苒,我們總是從過去走向?qū)恚忮F可以讓我們很清晰的看到時(shí)間和空間的這種差異,因?yàn)槲覀冇肋h(yuǎn)無法逃脫這些光錐,連續(xù)的光錐迫使我們的方向就是將來,因此就有了“光錐之內(nèi)便命運(yùn)”這句帶有哲學(xué)色彩的名句。
在相對(duì)論中,時(shí)間就是光錐的方向,而空間是與時(shí)間垂直的其他任何方向的集合。在沒有引力的宇宙區(qū)域,時(shí)間和空間是筆直的,所有光錐的方向都是一致的。
但在大質(zhì)量物體的周圍,比如地球周圍,當(dāng)一個(gè)蘋果掉落的時(shí)候,蘋果會(huì)受到地球的引力向下墜落。然而引力不僅僅會(huì)影響到物體的本身,還會(huì)影響到光。蘋果的光錐也會(huì)受到地球引力的影響而向下墜落,這些光錐的方向不再朝著同一方向,而是在重力的作用下變得彎曲。
因此在大質(zhì)量的物體周圍,光錐的方向是向行星中心彎曲的。或者說,時(shí)間會(huì)向行星的中心彎曲。從這個(gè)意義上去理解蘋果之所以會(huì)墜落,是因?yàn)樗奈磥硎侵赶虻厍蛑行牡模|(zhì)量扭曲了時(shí)空的幾何形狀,從而使得時(shí)空變得相對(duì),這就是愛因斯坦的廣義相對(duì)論。
但當(dāng)引力變得非常大時(shí),比如黑洞的周圍,時(shí)空的彎曲會(huì)變得非常大,以至于在某一臨界面,即事件視界面開始,所有的光錐都會(huì)完全朝下。如果我們?cè)谶@個(gè)位置點(diǎn)燃一支蠟燭,它的光錐都會(huì)落向黑洞的中心。
要理解黑洞中時(shí)空的真正含義,我們需要考慮兩種不同角色的觀點(diǎn),即墜入黑洞的宇航員和遠(yuǎn)距離的觀察者。
對(duì)于遠(yuǎn)處的觀察者來說,他受到的引力非常微弱,因此對(duì)他來說時(shí)間是一條從左向右的直線,黑洞視界面幾乎一動(dòng)不動(dòng)。但從即將進(jìn)入黑洞的宇航員角度來看,當(dāng)他越靠近視界面,時(shí)間和空間就會(huì)變得越彎曲。
而當(dāng)他到達(dá)視界面時(shí),時(shí)間和空間傾斜了45度,宇航員的時(shí)間不再是一條從過去到未來的直線,而是一條沿著45度上升的對(duì)角線,就像是一個(gè)光錐的表面。黑洞的這種行為就類似是一個(gè)光錐,這也解釋了為什么任何物體穿過視界面后將無法逃脫。
對(duì)于穿過視界面的宇航員來說,時(shí)間就會(huì)指向黑洞的中心,而這正是進(jìn)入視界面之前穿過空間的方向,與外部相比時(shí)間和空間似乎是互換了角色。這就是我們常說的“時(shí)空互換”。
從這個(gè)意義上來說,黑洞世界不再是一個(gè)地方,而是宇航員過去的一瞬間。黑洞的中心不再是一個(gè)點(diǎn),而是宇航員未來的一個(gè)事件。所以通向奇點(diǎn)是任何物體通過事件視界的最終命運(yùn)。
特別聲明:以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺(tái)“網(wǎng)易號(hào)”用戶上傳并發(fā)布,本平臺(tái)僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.