The Mind-Bending Math Inside Black Holes
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黑洞神秘莫测，遥不可及，甚至可以弯曲现实的结构——但我们一直在不断地学习更多关于它们的知识。美国宇航局理论天体物理学家罗纳德·甘布尔运用数学、计算机编码和一丝创造力来窥探宇宙中最极端天体内部的一些奥秘。我们将探讨被吸入黑洞会有什么感觉，以及人们对黑洞有哪些误解。我们将回答好奇听众的问题，包括：“如果黑洞只吞噬磁化物质会发生什么？”</context> <raw_text>0 我只想直接进入有趣的部分。所以，如果我和你都在宇宙飞船上，我们正朝着黑洞飞去，那对我们来说会是什么样的？会发生什么？事情会很快变得很奇怪。这里是美国宇航局的《好奇宇宙》。我们的宇宙是一个狂野而奇妙的地方。在这个播客中，美国宇航局是您的导游。

我是今天的节目主持人雅各布·皮纳。在本集中，系好安全带，因为我们将深入探讨黑洞。它们是宇宙中最神秘的天体之一。罗纳德·甘布尔将帮助我们了解我们所知道的关于黑洞的知识以及还有待发现的内容。我们将揭穿一些关于黑洞的最大谬误，并将回答你们听众提出的一些迫切问题。

罗纳德·甘布尔是美国宇航局的理论天体物理学家。现在，为了澄清记录，他实际上并没有进入过黑洞。没有人进去过。但作为美国宇航局的天体物理学家，罗纳德比几乎任何人都更了解黑洞内部的情况。

黑洞是时空区域，对吧？是的。我们知道空间和时间。那里的引力非常巨大，以至于行星、恒星、星系、较小的星系，甚至光、光子都无法逃逸。它们是非常非常复杂的天体，但同时又非常简单。现在，我们仍然对黑洞的工作原理有很多疑问。

但是，多亏了像罗纳德这样的物理学家，我们一直在不断地学习更多关于它们的知识。罗纳德就是那些经常被长长的数字串包围的科学家之一。

我能描述它研究方面最好的方法是，如果你看到爱因斯坦或其他人在黑板上写下所有这些方程式，那就是我每天都在做的事情。有很多数学，有很多科学，但要找到将这些东西结合起来的方法，物理学、量子物理学、电磁学、时空相对论，所有这些，所有这些结合在一起，才能让你了解黑洞周围发生的事情。

数学告诉我们，当我们在假设的宇宙飞船中接近黑洞时，我们将经过一个无法返回的点。

现在，黑洞会旋转，就像行星或恒星一样。一旦我们足够靠近，我们就会开始随着黑洞一起旋转。这就像我们被困在某种星际旋转木马上一样。所以时空实际上是被拖拽着的。你没有选择。好的。现实本身正被拖拽到黑洞周围。好的。但是当你越来越近时，你就会接近所谓的事件视界。就在那之前的边缘，

如果有人在看着你，对吧？我总是开玩笑说把我弟弟扔进黑洞。对不起，道格。你是测试者。但他会在表面冻结。会有一个点，我们称之为无限红移面，你发出的光会停止。哇。就是这样。所以这就是你最后看到的图像，对吧，我们进入黑洞的图像。从那里开始，我们的旅程只会变得更加奇特，也可能更加可怕。

根据黑洞的大小，我们可能会经历一个叫做“意大利面化”的过程。这意味着黑洞对我们施加了如此大的力，以至于我们的身体像面条一样被拉长。我们不知道里面有什么。当然。

也许我的旧量子作业在那里或其他什么地方。你承受着巨大的引力压力，这意味着黑洞的所有引力现在都在你身上。你继续坠落，越来越靠近奇点，或者我们认为的黑洞中心，再次强调，你正在无限的空间中坠落。所以黑洞内部的时空与外部的行为非常不同。

当我们向无限坠落时，它可能会变得极其明亮和极其炽热。然后，就像有人拨动开关一样。没有更多的光了。在那之后，没有人知道。如果我们能去那里，我会收集一些信息并发送给我们。现在，研究黑洞有一些明显的挑战。它们距离遥远，没有光可以逃逸，在许多方面，它们只是很奇怪。

但我们设法通过两种主要方式了解了它们。我们收集观测数据，例如通过望远镜观察。我们可以观察黑洞周围物质的行为。这是因为它会发出我们眼睛看不到的光，包括X射线和无线电波。我们可以研究这些。然后我们有理论，利用数学和物理学来解开那里发生的事情。所以黑洞研究人员实际上有很多东西可以研究。

我们在宇宙各地都发现了黑洞。有些黑洞的质量与我们的太阳差不多，而另一些则大得多。以我们自己的银河系为例。在中心，别担心，它离得太远，不会对我们地球上的生命造成危害，那里有一个超大质量黑洞。它的质量大约是四百万个太阳。而其他黑洞更大。

罗纳德·甘布尔结合传统的数学和基于计算机的建模来研究黑洞。他懂十几种不同的编码语言，他也是试图进入该领域的年轻科学家的导师。所以我想要回顾一下，听听他是从哪里开始的。我希望你能告诉我你的超级英雄起源故事。比如，你什么时候意识到天体物理学和黑洞将成为你的事业？

——我妈妈会说是四岁。我会说这里面有一个反派角色。但是，是的，四岁的时候，我坐在我的太阳系小餐垫前，可能把我的土豆泥扔到某个地方。我问妈妈，太阳有火吗？所以四岁的时候，我想，好吧。她说，好吧，我需要让你去某个营地。我看过卡尔·萨根的节目。我看过比尔·奈的节目。然后是像《神奇校车》这样的节目

它变得越来越好奇，我不断地问更多的问题，这就是我进入这个领域的方式，然后我发现了我们对宇宙一无所知的事情，我想，好吧，我想研究这些，什么是暗物质，什么是暗能量，有什么关于黑洞的新东西需要我们去发现，这就是我进入这个领域的方式，这很有趣，我认为

我们很多人很难想象研究黑洞实际上是如何进行的。说实话，我不太擅长数学。我不会编程。我只是想知道你能不能让我设身处地地体会一下你典型的一天或一个典型的项目。

是的，我现在正在编写一个代码，它将描述或模拟高能粒子（如电子）如何围绕黑洞旋转，然后以喷流的形式被喷射出去。所以部分工作涉及到等离子体物理学。它看起来像是在进行数值微积分。所以这有点像在电脑上进行微积分。但是，我还需要考虑如何将

这些非常理论的东西与观测数据结合起来。是的，所以告诉我更多关于观测和理论之间差异或细分的知识，因为我认为，对于我们这些局外人来说，黑洞是如此……

它们是如此令人毛骨悚然和神秘，以至于我们很难分辨出我们肯定在数据中观察到了什么。然后像你这样的人通过黑板上的数学方程式等等进行理论推演。是的。所以我们必须……

首先我要说的是，黑洞实际上非常简单。所以我们只需要大约三四个数字就能描述一个黑洞。质量、自旋，可能是事件视界的面积，对吧？还有电荷，对吧？所以黑洞确实在表面有一些电荷，但就是这样。四个数字。电荷就像……

正负？正或负，你可以认为电荷聚集在黑洞周围，有点像静电荷。哇。它正在聚集，对吧？但是这四个数字是我们

用来收集观测数据的东西。然后像你这样的人如何利用这些数据并继续进行理论推演，你知道，接下来的部分？我们做所谓的坏数学，然后我们纠正好的数学。这叫做建模。所以我们努力填补观测数据的空白。我们再次强调，这就像转动数学的曲柄一样简单。当我们继续通过数学运算时，我们发现黑洞以新的方式让我们感到惊讶。

一旦物质或光落入黑洞，它就不会出来。这就是它们之所以是黑色的原因。但在黑洞的外部，有一个旋转的炽热明亮气体盘。大部分气体最终会进入黑洞，但并非所有气体都会进入。一些气体喷射出来，以接近光速的速度飞驰而去，形成的射流可以非常长，例如数百万光年。

这些射流被称为相对论性喷流。当其中一个喷流恰好指向地球时，我们给它一个特殊的名称：耀变体。你可以把它们想象成某种黑洞激光器或灯塔。好的。对吧？所以它们不是来自黑洞内部，因为没有任何东西可以出来。是的。但它们是从表面直接出来的，对吧？它们被喷射出去的部分原因是由于黑洞周围的磁场。并且有炽热的等离子体和所有东西像汤一样旋转。

最终，它会喷射出来。这就是喷流。关于为什么黑洞会喷射出喷流以及为什么这些粒子会在一瞬间从零加速到光速，仍然存在一些未知的问题。哇。是的。所以，这是我研究的一部分，试图弄清楚原因。也许这是一个奇怪的问题，你告诉我，但你最喜欢的黑洞是什么？我有。是的？是的。

是的，我现在有两个最喜欢的。一个是，我将给你它的目录名称。请说。我们没有正式的名称。一个是M87，你可能听说过M87。人马座A*是我们星系中心的超大质量黑洞。但是M87是我所说的一个行为良好的黑洞。它表现良好。它以一个很好的角度倾斜，方便我们观察。它给了我们很好的数据。

但另一个被称为TSX0506+056。——好的。——那里有很多东西，但它是一个非常高能、变化很大的耀变体，它给了我们奇怪的数据。它把所有东西都吹出了图表。它非常非常明亮。它是你在天空中可能看到的最明亮的天体之一。——哇。——当然是用你的望远镜，它非常遥远，但它给了我们一些非常酷的数据，一些非常酷的物理学。——真的很酷。

你知道，黑洞非常非常受欢迎。就像我们经常收到关于黑洞的问题一样，我们也会问你几个。但这让我好奇，你经常听到关于黑洞的哪些误解是你需要不断澄清的？我很高兴你问到这个问题。其中一个……

其中一个，我认为最广为人知的误解是，当你谷歌搜索黑洞时，你可能会看到漏斗状的图片。黑洞是球体。所以它们不是漏斗。你不能像掉进井里一样掉进去。它是一个球体。它不仅是一个球体，而且不是一个完美的球体。所以它在两极有点扁平，因为它旋转得非常快。所以你可以把它想象成一个非常胖的橄榄球。

对吧？或者鸡蛋形状的。从上往下看，它看起来像一个圆圈。它具有这种对称性，但从侧面看，它是扁平的。哇。是的。令人难以置信。说到黑洞，罗纳德对几乎所有事情都很好奇。但在这个节目中，我们也想知道你对什么好奇。我们想听听你会问美国宇航局专家什么问题。事实证明，你们很多人对黑洞很好奇。

所以我们选择了一些我们最喜欢的听众问题，我把罗纳德放在了风口浪尖上。第一个问题来自阿什利。他们听过之前一集的《好奇宇宙》，名为《黑洞内部》。在那集中，我们提到了一个叫做霍金辐射的量子物理现象。它以著名的物理学家史蒂芬·霍金的名字命名。

其想法是，黑洞实际上可以一点一点地蒸发。尽管它需要大约数万亿年的时间才能完全消失，这是一个几乎不可能的长的时间量。无论如何，阿什利想知道更多关于霍金辐射的信息。他们还问一颗恒星或行星如何绕黑洞运行。黑洞的引力如何将某物固定在适当位置？因为它不会简单地吸入行星或恒星吗？

好的，这是一个两部分的问题。是的。我们可以先解决霍金辐射的问题，因为这是有趣的部分。不用深入量子场论的细节，霍金辐射，它是一种量子效应，但你是在观察视界的热力学特性是什么样的，对吧？所以如果我放大，不是在行星、恒星和物体被吸入的大尺度上，

而是在非常非常小的尺度上，粒子尺度上，那么，黑洞周围会发生什么？一些粒子可能会落入，一些粒子可能会被踢出去。所以我们现在更关注适用于黑洞的热力学定律。霍金辐射是其中一个定律的效应，即黑洞的熵不能减少。

但在表面，会发生什么？好吧，这些信息不会丢失，因为它在我们的宇宙中。我们仍然应该可以访问它，但它会以热的形式辐射出来，对吧？但是当你辐射时，你正在从黑洞中带走一些能量。最终，黑洞的面积会缩小。表面积应该会缩小。如果它继续这样做，理论上黑洞会由于霍金辐射而蒸发。现在这个时间尺度大约是

我不知道，也许是10的64次方年。这是一个很长的范围。所以不要等待，不要等待。不要等待它，但这就是霍金辐射的简要说明。好的。是的。我明白了。我明白了。我明白了。所以让我，让我来回答她问题的第二部分，以确保阿什利满意地离开。嗯，

她问一颗恒星或行星如何绕黑洞运行。黑洞不会简单地吸入行星或恒星吗？不一定。这有点像月球不一定会落向地球。即使它被锁定在地球的引力中，它也携带足够的角动量，足够的自旋来绕地球运行并保持在轨道上。所以在黑洞的吸积盘内，你可以有太阳系，你可以有一堆，你可以有数千颗恒星，对吧？

特别是星系中心的超大质量黑洞，它们只会继续绕着轨道运行。它们确实会吸收一些热量、一些速度，最终引力，如果可以的话，潮汐力会开始将那颗恒星撕裂。哇。然后最终它会落入黑洞。黑洞不一定会吸入东西，它们会把东西拉进去。我希望这能回答阿什利的问题。好的，我们来看第二个问题。这是来自蒂哈娜的问题。

美国宇航局的科学家如何克服研究广阔空间和从如此遥远的天体收集数据的挑战？这是一个非常好的问题。我会说，就像这个播客一样，我们感到好奇。是的。对吧？我们感到好奇，我们变得有创造力。所以作为一名天文学家或天体物理学家，在地面上工作，你正在观察数百万光年之外的东西，你必须有创造力。

宇宙只给我们发送一点点，一点点信息。我们对这些信息做了什么？好吧，我们正在建造像罗马、詹姆斯·韦伯、适宜居住的世界天文台、LISA等等这样的东西来收集我们可以获得的那些少量信息，以给我们提供大量的科学知识。所以我们正在……

取得巨大的飞跃。但其中一部分是让更多年轻人对科学感兴趣。给我们更多有创造性的想法。是的。对吧？我们需要多样化的思想来进行美国宇航局的科学研究，这就是我们完成这项工作的方式。是的。很好。这是我们的下一个问题。这是来自拉斯蒂的问题。这是我最期待的一个问题。你好，我的名字是拉斯蒂·阿什利，我住在德克萨斯州奥斯汀附近。

我的好奇心是，如果磁体是在大爆炸中产生的，那么如果黑洞只消耗磁化物质而没有其他物质会发生什么？与普通的黑洞相比，这是否会以任何方式改变它们的根本行为？谢谢。所以这是一个常见的误解。是的。黑洞实际上只消耗磁化物质。哦。

因为它技术上是等离子体。好的。它是磁化的。好的。所以如果你取任何带电的东西，你都在轨道上旋转。是的。它会产生磁场。好的。这就是物理学101。是的。所以你可以认为几乎所有落入的东西都在某种程度上是磁化的。现在，

磁体在大爆炸中产生，这是一个有趣的问题，因为天体物理学家提出的一个问题是，所有天体的磁场从哪里来？像脉冲星、磁星这样的东西，你可以把它想象成一颗磁星。它们是宇宙中最强的磁场。

这些东西从哪里来？你必须比这更基本。所以你必须观察自然界的四种基本力，引力、电磁力和强弱核力。所有这些都必须结合起来。它们必须挤在一起，对吧？它们必须创造一种汤来给我们创造磁场的东西。背景中有很多物理学知识。所以我不能给你完整的宇宙学答案，但是，是的，

这就是为什么我们有一个叫做物理宇宙学的领域。好的。这样我们就可以发现早期宇宙中的一些东西。所以简短的答案是敬请期待。敬请期待。那里有一个诺贝尔奖。没错。所以在我们结束之前，我还想问你几件事。

其中一个是艺术，因为我看到过你制作的艺术品和图形，我被震撼了。它们真的很好。谢谢。你是如何开始做这些的？你这一面是什么样的？我从小就开始画画了。在本科期间，我同时主修物理学和美术。所以我辅修美术。但这有助于结合左右脑，对我来说，我无法将它们分开。

它确实有助于形象化科学。它能帮助你更好地形象化这些复杂的事物。什么是黑洞，我该如何画一个黑洞？好吧，再次强调，它是一个球体，但可以把它捏一下。对吧？就是这样。然后数学就起作用了，对吧？感谢毕达哥拉斯定理给了我们三角形。我一直很好奇，

那些非常擅长科学的人如何将他们生活的其他所有方面都融入其中，就像他们处理问题的所有其他兴趣一样。比如，你认为成为一名艺术家或对艺术感兴趣是否会让你成为一名更好的科学家？你是如何看待这个问题的？我认为会的。

所以作为一名理论家，我必须想出新的物理学或新的方法来以非常有创造性的方式描述物理学。我们已经发现的数学和物理学是有限的。我们必须全部使用，对吧？所以再次强调，就像某种，

黑板对我来说就像一张空白画布。好吧，我必须从头开始。我想，好吧，一个方程式就像一个乐高积木。如果我继续堆叠，我可能会建造一辆德洛林汽车或千年隼号之类的。

这就是我们得到的。然后我可以把它拆开，做些其他的东西。所以我认为成为一名优秀的理论家，成为一名优秀的科学家需要一定程度的右脑创造力，对吧？我认为你需要对科学以及我们如何进行科学研究有一个非常全面的看法才能真正有创造力。这就是你获得新事物的方式。是的。是的。我知道你的工作中还有另一件很重要的事情，而且我认为这也是你的一个热情项目，那就是……

是指导人们。为什么这对您如此重要？——我的座右铭是为世界提供我当时最需要但没有得到的东西。所以对我来说，指导就是给学生推动力、动力、灵感，

推荐，换句话说，指导，对吧？还有倡导。有人在你身边为你加油，对吧？因为我没有很多这样的导师。我有一些，他们很棒。

但同样，我没有很多同伴这样做，对吧？然后，你知道，你如何在该领域建立信心？天文学和天体物理学非常，如果你不知道如何驾驭它，它可能会非常激烈。这就是为什么我喜欢做指导。是的。有什么……

早期职业科学家、学生甚至孩子们应该了解你的工作以及在这个领域取得成功需要什么？很简单。不要停下来。我会说，不要停下来，得到它，得到它。但从字面上讲，只是不要停下来。会有很多人告诉你，哦，也许你应该选择其他更容易成功的事情，或者，嗯，你在美国宇航局成功的可能性实际上非常低。好吧，你在美国宇航局成功的可能性并非为零。所以去做吧。所以这是我告诉人们的第一件事，在我做的每一次演讲中，我都告诉他们，好吧，这就是我从哪里开始的。如果你，如果我能从这里出来，你也能做到。但我要说的另一件事是

再次强调，不仅仅是，你知道，不要停下来，而且不要妨碍自己。这也会促使你继续做下去。如果你第一次没有成功，你可能会在第二次、第三次、第四次、第五次、第六次成功。对。所以我申请美国宇航局，我想，也许四次。哇。所以你只需要保持韧性，它就会到来。你就像，如果你继续努力实现你的梦想，它们就会变成现实。罗恩·甘布尔，非常感谢你。这太有趣了。谢谢。感谢你的邀请。

在罗纳德·甘布尔的众多头衔中，他是美国宇航局一个名为“宇宙探路者”的项目的主任。这是学生或早期职业科学家参与美国宇航局科学研究的一种方式。说到黑洞，还有很多东西需要学习。你可以在science.nasa.gov/universe上找到更多关于美国宇航局黑洞研究的信息。如果你只是回顾《好奇宇宙》的节目，你会发现一集名为《黑洞内部》的节目。

我们想知道你对黑洞或其他任何事情的好奇之处。所以给我们发邮件。我们的地址是[email protected]。这里是美国宇航局的《好奇宇宙》。本集由我雅各布·皮纳撰写和制作。我们的执行制片人是凯蒂·科宁斯。好奇宇宙团队还包括克里斯蒂安·埃利奥特、马蒂·奥尔森、米凯拉·索斯比，当然还有帕蒂·博伊德。克里斯托弗·金是我们的节目艺术家。

我们的主题曲由系统之声的马特·鲁索和安德鲁·桑塔圭达创作。特别感谢美国宇航局的天体物理学团队，包括克莱尔·安德雷奥利、巴巴拉·马特森和安伯·斯特劳恩。我们得到了里奇·梅尔尼克、罗布·安德雷奥利和约翰·菲利亚的媒体支持。还要特别感谢斯科特·维辛格。他编辑了本集的特别视频版本，你可以在YouTube上找到。

和往常一样，如果你喜欢这集美国宇航局的《好奇宇宙》，请告诉我们，给我们留下评论，甚至告诉一个朋友，一个你认为是太空迷并且想听到更多这些狂野而奇妙冒险的朋友。你也可以在您最喜欢的播客应用程序中关注我们，以便每次我们发布新剧集时都会收到通知。三、二、一。这是一个美国宇航局官方播客。美国宇航局喷气推进实验室，加州理工学院