「沒有人,也永遠不會有人能逃避選擇所帶來的後果。」——弗雷德·a·蒙泰普特
自從人類知道有黑洞這樣的奇異天體以來,我們總是想在思維上戰勝黑洞的重力,因為我們都知道黑洞的重力大到連沒有質素、速度極高的光都無法逃脫。因此在思想上挑戰黑洞的重力也是一件趣事。例如下面的假設:
今天就聊下,這種看似完美變通的方法是否可行!
先說黑洞怎麽來的
黑洞不僅僅有一個密度極大、質素極大的奇異點,而且它周圍的空間異常扭曲,以至於落入其中的任何物體都無法逃離。雖然這是我們通常認為的黑洞,但黑洞更準確地說就是一個物體周圍的空間區域,任何形式的物質或能量,甚至光本身都無法逃離。
其實這並不像我們想象的那麽復雜:如果我們把太陽按原樣壓縮到一個半徑只有幾公裏的空間範圍內,最終會得到一個黑洞。雖然我們的太陽不會經歷這種危險的轉變,但宇宙中的某些恒星最終會以這種方式產生黑洞。
宇宙中擁有很多年輕的大質素恒星,例如上圖中超級星團的核心就有20、40、甚至是100顆最藍、最熱和最亮的天體,其中一些恒星的質素甚至是太陽的260倍。這些恒星的核心也是所有恒星中燃燒核燃料最快的,其壽命只有約100到200萬年,而不是像太陽那樣擁有數十億年壽命。
當它們的核心耗盡核燃料時,核心的原子核就會受到巨大的重力作用,如果沒有核聚變產生的輻射壓力來支撐恒星本身,其核心就會發生內爆。在某些情況下,原子核和電子就會被融合在一起,形成大量的中子,所有的中子都在重力的作用下捆綁在一起,這就是所謂的中子星。如果核心的質素比太陽質素的3倍還大,那麽中子星的密度和質素就會非常大,進一步塌縮,形成一顆黑洞。
恒星形成的黑洞一般質素都很小,是太陽質素的幾倍到幾百倍。然而,黑洞可以透過合並、吞噬物質和能量以及下沈到星系中心而變得更大。在銀河系的中心,就有一個大約是太陽質素400萬倍的天體,在其周圍我們可以看到單個恒星繞著這個不發出任何光的天體旋轉。
其他星系的黑洞質素甚至更大,是銀河系黑洞質素的數千倍,而且理論上它們的大小沒有上限。
黑洞一些簡單的性質
關於黑洞有兩個重要的性質我們還沒有討論過,這將引導我們找到今天問題的答案。首先是黑洞質素越大,空間會發生什麽變化?
黑洞的定義是,任何物體在空間中都無法逃脫其重力,無論這個物體加速的速度有多快,無論這個物體是否以光速運動。一個物體可以和一個物體不能逃逸的邊界就是我們所說的事件視界,每個黑洞都有一個這樣的視界面。
在質素最大的黑洞周圍的視界上,空間曲率要小得多,而在質素最小的黑洞周圍,空間曲率是最嚴重的(也是最大的)!如果你「站」在一個黑洞的視界上,你的腳在視界面邊緣,你的頭離奇異點1.7米遠,就會有一股力量拉伸你的身體,產生很強的潮汐重力,我們稱之為」意大利粉化「。如果這個黑洞在我們星系的中心,拉伸你的力只有地球重力的0.1%,而如果地球本身變成一個黑洞,你站在上面,拉伸力將是目前地球重力的10^20倍!
掌握了以上的知識,下面我們就驗證是否可以把一個物體用特別堅硬的繩子從黑洞裏拉出來?
如果一個大黑洞的潮汐力在事件視界的邊緣很小,或者一個繩子在電磁力的結合下也不會斷,把一個物體懸在事件視界外,讓他短暫的穿過視界面,然後安全地把它拉回來。
這可能嗎?為了理解這一點,讓我們回到中子星形成黑洞交界處發生的事情,也就是那個質素閾值處發生的事情。
想象一下,一個密度驚人的中子球,但表面的光子仍然可以逃逸到太空中,不會螺旋進入中子星。現在,讓我們在其表面再放一個中子,這個中子就是壓跨中子星的那根稻草,突然這個中子球本身無法抵抗重力進一步發生了塌縮。現在讓我們看一下黑洞形成時發生了什麽?
現在再想象一個由誇克和膠子組成的中子,我們知道膠子在中子中從一個誇克運動到另一個誇克以交換強核力,將誇克組合在一起形成中子。
現在,在中子星塌縮成黑洞時,其中一個誇克會比另一個誇克更接近黑洞中心的奇異點,而另一個則會離得更遠。為了使力的交換發生,為了使中子穩定,膠子必須在某一時刻,從較近的誇克移動到較遠的誇克。但即使膠子在光速下(膠子是無質素的),已經再也無法傳遞強力!因為所有的零測地線,或者一個物體以光速運動的路徑,都會進去黑洞中心的奇異點。也就說,膠子的路徑不再是隨意的傳遞強力,而是只能落向奇異點,此外,膠子永遠不會比發射時離黑洞奇異點更遠。只要進入黑洞的視界面,所以的力都無法正常傳遞。
這就是為什麽黑洞視界內的中子必須崩潰才能成為中心奇異點的一部份。
現在,讓我們回到跨越黑洞視界面的繩子。無論何時任何粒子穿過視界,都不可能再從視界中逃逸。而光子和膠子是需要與視界外的粒子交換力的粒子,它們只要進入視界面就會落向黑洞奇異點,而無法到達視界外再去傳遞任何力!
沒有電磁力或強核力任何物質都會崩潰,因為這是原子都無法穩定的存在;如果我們還假設繩子不會斷,這更有可能意味著這些粒子沖向奇異點的作用會把整艘宇宙飛船都拉進黑洞。當然,就算黑洞的潮汐力很小,不會分解任何物質,但是所有有質素、能量和速度的粒子一旦穿過視界,都會朝向奇異點運動,而不會再去傳遞任何力。
出於這個原因,一旦穿過視界,仍然沒有辦法走出黑洞。