問題1：黑洞相撞后會融合在一起嗎？撞擊是否會發(fā)出X射線或者伽馬射線？
答：兩個黑洞撞擊后毫無疑問會產(chǎn)生一個更大的黑洞，這一過程沒有X射線放出也沒有伽馬射線放出，也不產(chǎn)生任何電磁波，不過會放射出大量的引力波信息。為了便于理解黑洞產(chǎn)生引力波的原理，我們可以引用愛因斯坦描述引力場的經(jīng)典模型：把時空比作一片扁平的橡膠。
當(dāng)我們在這片橡膠放上一個有質(zhì)量的物體（比如保齡球）時，“橡膠”就會彎曲變形。在幾個高質(zhì)量物體在一片區(qū)域內(nèi)相對運(yùn)動時將會形成一些“凹槽”，這些凹槽隨著物體運(yùn)動變成向外擴(kuò)散的一串“漣漪”，這些在時空中傳播的“漣漪”就是引力波。我們可以相信在不久的將來，越來越先進(jìn)的儀器設(shè)備將帶我們更深入地了解引力波。
問題2：黑洞的逃逸速度大于光速，那么由于能量守恒是否可以說明物體在黑洞的加速下會超越光速？
答：這確實(shí)是一個大膽的想法，落入黑洞視界的物體看起來會被加速到超越光速。這里我們認(rèn)為存在某種類似于“摩擦力”或“極端速度因素”的存在影響著物體落入黑洞時的運(yùn)動狀態(tài)。
和其他涉及相對論的問題一樣，任何對物體速度的測量都受測量方式影響。在這個問題上我們需要先探討我們?nèi)绾芜M(jìn)行這一測量。所以請容我舉一個小例子。
你可以嘗試進(jìn)行一個實(shí)驗(yàn)，手拿一個籃球，伸出手將籃球托至與頭部平齊，放手。接下來會發(fā)生什么？顯然籃球會落下來，在籃球觸地時得到了一定的速度。接下來站到桌子上，保持同樣的姿勢，從桌子上跳下的同時松手。這回你將會看到籃球與你保持了一小段時間的相對靜止。當(dāng)然從旁人視角看來籃球還是在運(yùn)動的。
由此可見運(yùn)動的測量結(jié)果會因測量方法的改變而不同，觀察到的速度會因測量者的運(yùn)動狀態(tài)而不同。雖然這個簡單的物理現(xiàn)象看起來與黑洞并沒有什么關(guān)系，但接下來請看我們大膽的想法。我們現(xiàn)在把這個實(shí)驗(yàn)搬到黑洞的邊上進(jìn)行。松手，讓籃球落向黑洞，如何測量它運(yùn)行軌跡上任意一點(diǎn)的速度？此時測量者自身的運(yùn)動狀態(tài)就至關(guān)重要了，當(dāng)測量者相對黑洞靜止，籃球會以一個速度下落，如果測量者和籃球一起掉進(jìn)黑洞，情況就會有所不同。
從這個角度來考慮，如果測量者與黑洞保持相對靜止，籃球從遠(yuǎn)離黑洞的一個地方開始運(yùn)動，當(dāng)籃球從測量者身邊經(jīng)過時可以測得一個運(yùn)動速度。當(dāng)測量者的位置逐漸接近視界邊緣，籃球的速度就會趨近于光速。由此外推，可以得到的結(jié)論是當(dāng)我們在黑洞視界內(nèi)時籃球的速度就會超越光速。
然而事情并非看上去那么簡單。為了在黑洞外保持與其相對靜止，觀察者必須想辦法對抗黑洞的引力，就像我們在地球上也需要對抗重力一樣。這里我們姑且使用一種強(qiáng)力的繩索與鉤子將觀察者拴在黑洞外的某處。隨著與黑洞距離拉近，來自黑洞的引力逐漸增大，而在視界邊緣理論上將達(dá)到無限大。此時將沒有任何一種繩索或是火箭能夠?qū)⒂^察者拉住，他將會不可避免地落入視界半徑內(nèi)。
在此基礎(chǔ)上，我們可以知道當(dāng)觀察者落向黑洞的過程中所測得的籃球運(yùn)動速度將會小于觀察者靜止時測得的籃球的速度，我們認(rèn)為即使在視界半徑以內(nèi)依舊如此。因此，能夠測得的速度將會小于光速，而永遠(yuǎn)無法到達(dá)，哪怕只差一點(diǎn)點(diǎn)。不如說，這個例子實(shí)際上表達(dá)的是“沒有任何方法可以測量到一個超光速運(yùn)動的物體的速度”，這里只是說明了這一理論無論在黑洞外還是黑洞內(nèi)都是成立的。不過我想大概沒有人會想要親自去驗(yàn)證這一實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性。
問題3：在課堂內(nèi)外的很多人都在問“宇宙的邊界在哪里”，不過我不會這么問。據(jù)我所學(xué)，我們可以將宇宙的結(jié)構(gòu)看作一層薄膜，在學(xué)習(xí)了黑洞的知識后我又可以將其理解為宇宙結(jié)構(gòu)在此翹曲，然后“流入”黑洞里。所以我想問的是，這些“宇宙膜”從何而來，在流入黑洞之后是會從其他地方被“吐”出來，就像地球的板塊構(gòu)造運(yùn)動一樣，保證“宇宙結(jié)構(gòu)”的總量恒定，還是說某一天一切都會被吸進(jìn)黑洞里？又或者是說這些結(jié)構(gòu)會跑到其它地方去？
答：這是個很好的問題，雖然我無法給出一個完全令人滿意的回答?！皶r空的結(jié)構(gòu)從何而來”這一問題和“創(chuàng)世大爆炸之前宇宙是怎樣的”，還有“時空隨著宇宙無限膨脹之后會發(fā)生什么”這些問題本質(zhì)上十分相似，而且我們同樣沒有一個確切的回答。很多理論看上去都是可能的，例如，有理論認(rèn)為時間始于宇宙大爆炸，隨著時間進(jìn)行，宇宙空間不斷膨脹，構(gòu)成宇宙的時空也在膨脹。即使宇宙在某種不可抗拒的因素影響下一直膨脹下去，但我認(rèn)為這些宇宙的基本組分，也就是“時空結(jié)構(gòu)”，也不會被耗盡。
當(dāng)然，我贊同你利用構(gòu)造板塊理論去理解宇宙空間結(jié)構(gòu)的想法，同時也不否認(rèn)在將來可能會有這樣的理論模型被提出來，沒準(zhǔn)你將是研究團(tuán)隊(duì)的一員！
問題4：在我上天文學(xué)課的時候，我突然想到這個問題，如果黑洞在不停吸入物質(zhì)，包括質(zhì)子，電子，光子，那么黑洞的奇點(diǎn)的質(zhì)量是不是在不斷增加著呢？
答：黑洞之所以令每一個天文學(xué)者充滿探尋的欲望，就是因?yàn)樵谶@一領(lǐng)域問問題的人不少，但能真正回答的人卻不多。
言歸正傳，這個問題的答案是：沒錯，隨著黑洞不斷吸入物質(zhì)，也就是我們所說的“吸積過程”，黑洞的總質(zhì)量/總能量不斷增加。根據(jù)愛因斯坦的著名等式E=Mc2，我們可以知道質(zhì)量和能量實(shí)際上是同一種東西的兩種表達(dá)形式。因此在吸積過程中捕獲的物質(zhì)會給黑洞帶來其擁有的能量。實(shí)際情況中一些能量會以光子形式逃脫，還有一些則會產(chǎn)生一種“相對論射流”，第二種你將在接下來的天文學(xué)課上學(xué)到。剩下的能跨越視界半徑的物質(zhì)將完全轉(zhuǎn)化為黑洞自身的質(zhì)量/能量。由于質(zhì)量和能量的等價關(guān)系，黑洞在捕獲電磁輻射時也會發(fā)生相同的過程。我們通常傾向于認(rèn)為物質(zhì)粒子具有質(zhì)量，光子具有能量，二者分別考慮，然而它們對于黑洞而言沒有差別，他們都會在吸積過程中轉(zhuǎn)化為黑洞質(zhì)量/能量的增量，也就是奇點(diǎn)的質(zhì)量/能量增量。
有趣的是，我們在證明這一理論的時候使用的方法意外地很直觀——通過測量黑洞的有效尺寸，也就是視界半徑，當(dāng)一個黑洞進(jìn)行吸積作用吸收物質(zhì)，一般來說就意味著它的視界半徑會增大，其質(zhì)量也在相應(yīng)增大。這里我說“一般”是因?yàn)橐暻闆r不同還應(yīng)分物質(zhì)沿著黑洞自旋相同和相反方向進(jìn)入這兩種情況，當(dāng)進(jìn)入方向與自旋方向相反時的情形十分復(fù)雜，在此不予討論。
在物質(zhì)吸入方向與自旋同向時，黑洞的質(zhì)量確實(shí)是在不斷增加的，黑洞造成的時空翹曲也會變得更強(qiáng)。希望我的回答對你有所幫助。
問題5：我知道擁有已知最快速度的光線不能從黑洞中逃逸，為什么引力就可以從黑洞中發(fā)射出來呢？黑洞又是怎么吸入光線的呢？光究竟是一種能量還是有質(zhì)量的物質(zhì)？
答：你在這個問題上踏出了正確的一步，無論是光還是其他形式的質(zhì)量和能量都無法從黑洞中逃逸出來。但是現(xiàn)在問題就出在引力和引力波上。
首先允許我說說引力，引力是任何擁有質(zhì)量的物體對其周圍空間的一種作用，它可以通過引力波的形式在宇宙空間之中傳播，引力以引力波形式在宇宙空間傳播，并表現(xiàn)為有質(zhì)量的物體間的相互吸引。它和電磁波，也就是光子相似，引力波自身僅有能量，沒有質(zhì)量。引力波能從黑洞中逃脫的原因在于，它實(shí)際是從黑洞之外產(chǎn)生的。打個比方，一塊石頭落入水中，我們可以看到水面上的漣漪，石頭并不會“發(fā)射”出漣漪，漣漪的產(chǎn)生、傳播和消失的都是在水里完成。引力波的產(chǎn)生也是如此，我們不能簡單理解為黑洞在“發(fā)射”引力波。
既然我們已經(jīng)知道引力是擁有質(zhì)量物體的之間的相互吸引，那為什么同樣是沒有質(zhì)量，僅擁有能量的電磁波，或者說是光子卻會被黑洞捕獲呢？從常規(guī)物理學(xué)我們可以得知，從黑洞引力逃逸需要物質(zhì)擁有足夠大的速度，而非足夠小的質(zhì)量，哪怕當(dāng)一個物體質(zhì)量為零。光子的速度是光速，當(dāng)距離黑洞很近時，逃逸速度甚至超過了光速，這也就意味著有連光子也無法逃脫黑洞的引力場，這個光無法逃逸的極限距離就是常說的“視界半徑”。
擁有質(zhì)量的物體會因?yàn)橄鄬φ撔?yīng)無法達(dá)到光速而更容易被黑洞捕獲，質(zhì)量越大，達(dá)到同樣速度所需的能量就越大，所以一般認(rèn)為質(zhì)量小的物體會更容易逃離黑洞引力場。我們可以想像自己置身于科幻作品中，要想從黑洞引力場逃脫，就得在飛船沒燃料前盡可能加速，速度越大，飛船越輕，你的生存幾率就越大。
當(dāng)然這只是黑洞知識的冰山一角，還有更多等你去發(fā)現(xiàn)！
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學(xué)名詞
FY: 120mm M256
審核：astron
作者: Tamara Bogdanovic
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