假如在黑洞外面有一根不会断的绳子,能把黑洞里的物体拉出来吗?
自从人类意识到宇宙间存在如黑洞这样的奇异天体,我们的好奇心便驱使着我们去挑战黑洞那令人难以置信的巨大引力。这种引力之强,甚至连光线都无法逃脱。
因此,在理论上挑战黑洞也成了一种颇有趣味的尝试。我们来设想一下:
是否有可能逃出黑洞?
我们不依赖速度,而是通过一种设想中的电梯来实现。就像我们乘坐地球上的太空电梯离开地球一样,不需要达到逃逸速度便可以离开地球的引力范围。或者,设想在黑洞的边界之外,有一艘巨大的飞船拥有足够的动力,那么用一条极牢固的绳子把人从黑洞中拖出来,是否可行?
今天我们就来探讨一下,这种看似巧妙的解决方案,在现实中是否能成真。
首先,让我们简单了解下黑洞的由来。
黑洞不仅仅包含一个密度极高、质量巨大的奇点,它的周边空间也极端扭曲,扭曲到任何物体一旦进入便无法逃脱的地步。尽管这是对黑洞的通常描述,但更准确地说,黑洞其实是一个空间区域,在这个区域内,任何形式的物质和能量,包括光线,都无法逃逸。
实际上,黑洞的形成并不如我们想象的那般复杂:将太阳压缩至几公里的半径范围内,便会形成一个黑洞。虽然我们的太阳不会经历这种转变,但宇宙中某些恒星在演化过程中确实会形成黑洞。
在宇宙中,存在着许多巨大的年轻恒星,例如上图所示的超级星团中心,那里存在着20、40、甚至100颗最蓝、最热、最亮的天体,其中一些恒星的质量是太阳的260倍。这些恒星的核燃烧速度极快,寿命短至100至200万年,远低于太阳的数十亿年寿命。
当它们的核心燃料耗尽时,巨大的引力作用会作用于原子核,如果没有核聚变产生的辐射压力支撑,核心会发生内爆。在某些情况下,原子核与电子结合形成中子,在引力作用下紧密结合,形成中子星。如果核心质量超过太阳质量的3倍,中子星的密度和质量会变得极高,继续坍缩,形成黑洞。
通常,由恒星形成的黑洞质量较小,大约是太阳质量的几倍到几百倍。然而,黑洞可以随着时间的推移,通过合并、吸收物质和能量以及向星系中心沉降而变得越来越大。
在银河系的中心,就存在一个质量约是太阳质量400万倍的天体,其周围有单独的恒星围绕其旋转,这个天体并不发光。
其他星系的黑洞质量更大,是银河系黑洞的数千倍,从理论上讲,它们的大小并没有上限。
关于黑洞,还有两个重要的性质尚未讨论,它们对我们寻找答案至关重要。首先,是关于一个黑洞的质量与其对周围空间影响的问题。
黑洞的特性定义在于,任何物体都无法从其中逃逸,无论该物体加速有多快,或其是否以光速运动。一个物体能否逃离黑洞引力的临界点,就是我们所说的事件视界,每个黑洞都有一个这样的界限。
在质量最大的黑洞视界上,空间曲率相对较小;而在质量最小的黑洞视界上,空间曲率最大。如果你站在一个黑洞的视界上,头位于奇点1.7米之外,你的脚就会受到强烈的潮汐引力,这种力量会拉伸你的身体,我们称之为“意大利面化”。
如果这个黑洞位于我们银河系中心,对你的拉力只有地球引力的0.1%;如果地球本身变成一个黑洞,站在其上的你所受的拉力将是地球引力的10^20倍。
了解了以上知识后,我们来探讨一下,是否能用一条特别坚固的绳子把一个物体从黑洞中拖出来。
如果一个大型黑洞的潮汐力在视界边缘相对较小,或者绳子在电磁力作用下不会断裂,我们可以把一个物体悬停在视界之外,让他短暂地穿过视界,再将其安全拖回。
这是否可能?为理解这个问题,让我们回顾一下中子星转变为黑洞的临界点。
想象一下,一个密度极高的中子球,表面的光子仍可以逃逸到太空中,不会陷入中子星。现在,让我们在中子球表面添加一个中子,这将成为压垮中子星的“最后一根稻草”,此时中子球将无法抵抗引力,开始进一步坍缩。现在,让我们看看黑洞形成时发生了什么?
现在想象一下由夸克和胶子组成的中子,我们知道胶子在中子中传递强核力,将夸克结合成中子。
当中子星坍缩成黑洞时,其中一个夸克会比另一个更接近奇点,另一个则离得更远。为了使中子稳定,胶子必须在某一时刻从较近的夸克移动到较远的夸克。但即使在光速下,胶子也无法传递强力,因为所有的零测地线(光子或物体以光速移动的路径)都会进入奇点。
也就是说,胶子的路径不再是传递强力,而是只能坠入奇点,此外,胶子永远不会比发射时离奇点更远。一旦进入视界,所有传递的力都将失效。
这就是为什么黑洞视界内的中子必须崩溃成为奇点一部分的原因。
现在,让我们回到跨越黑洞视界的绳子。任何穿过视界的粒子都不可能再从视界逃逸。而光子和胶子是需要与视界外的粒子传递力的粒子,它们一旦进入视界就会坠向奇点,无法再传递任何力到视界外。
没有电磁力或强核力,任何物质都会崩溃,因为原子将无法稳定存在;如果我们假设绳子不会断,这可能意味着这些粒子冲向奇点的作用会将整个宇宙飞船拉入黑洞。
当然,就算黑洞的潮汐力很小,不会分解任何物质,但是任何穿过视界的有质量、能量和速度的粒子都会朝向奇点,而不会再去传递任何力。
因此,一旦进入黑洞视界,就没有任何方法可以逃脱了。