自人類知道黑洞這一奇異天體的存在后,便總在思維的世界里嘗試戰勝黑洞那令人敬畏的引力。
畢竟,黑洞的引力強大到連沒有質量、速度極致的光都難以逃脫,這樣的特性激發著人們在思想層面展開有趣的挑戰。
例如,我們不妨設想:有沒有可能爬出黑洞呢?不是借助逃逸速度,而是通過類似太空電梯的方式。
就如同從地球上乘坐太空電梯,無需達到地球的逃逸速度,便能擺脫地球引力場;又或者,在黑洞的視界之外,有一艘動力強勁的巨型飛船,能否用一根無比結實的繩子,把一個人從黑洞中拉出來呢?
黑洞,絕非僅僅是一個擁有密度極大、質量極大奇點的神秘存在,其周圍空間呈現出超乎想象的扭曲狀態,致使任何落入其中的物體都無力掙脫。
不過,更確切地說,黑洞其實是某個物體周圍的一片空間區域,在這片區域內,任何形式的物質、能量,甚至光本身,都無法逃離。
這一概念或許沒有我們想象中那般復雜:倘若將太陽壓縮至半徑僅幾公里的狹小空間內,最終便會形成一個黑洞。當然,我們的太陽并不會經歷這般危險的轉變,但在浩瀚宇宙中,確實有一些恒星會以這種方式演變為黑洞。
宇宙中存在著眾多年輕的大質量恒星,比如在超級星團的核心區域,便能看到 20 顆、40 顆,甚至 100 顆最為湛藍、熾熱且明亮的天體,其中部分恒星的質量可達太陽的 260 倍。這些恒星的核心消耗核燃料的速度堪稱所有恒星中最快的,它們的壽命僅僅約為 100 到 200 萬年,與太陽數十億年的漫長壽命形成鮮明對比。
當它們的核心核燃料消耗殆盡,原子核便會受到強大引力的作用。此時,若沒有核聚變產生的輻射壓力支撐恒星自身,其核心就會發生內爆。
在某些情形下,原子核與電子會融合在一起,形成大量中子,所有中子在引力的拉扯下緊密捆綁,這便是中子星的由來。而如果核心質量超過太陽質量的 3 倍,那么中子星的密度與質量將極其巨大,進而進一步坍縮,最終誕生一顆黑洞。
恒星形成的黑洞,質量通常相對較小,大致在太陽質量的幾倍到幾百倍之間。
然而,黑洞能夠通過合并、吞噬物質與能量,以及下沉至星系中心等方式不斷增大。在銀河系的中心,就存在著一個質量約為太陽 400 萬倍的天體,在它的周邊,我們可以清晰地觀測到單個恒星圍繞著這個不發光的神秘天體旋轉。
在其他星系中,黑洞的質量更為龐大,可達銀河系黑洞質量的數千倍,并且從理論上來說,它們的大小并無上限。
關于黑洞,還有兩個至關重要的性質尚未探討,而這恰恰是解答我們今天問題的關鍵所在。首先,當黑洞質量發生變化時,其周圍空間會有怎樣的改變呢?
黑洞的定義決定了,在其周圍空間內,任何物體都無法逃脫它的引力掌控,無論該物體如何加速,哪怕是以光速運動也無濟于事。
物體能夠逃逸與無法逃逸的邊界,便是我們所說的事件視界,每個黑洞都有這樣一個視界面。在質量極大的黑洞周圍,視界上的空間曲率相對較小;而在質量極小的黑洞周圍,空間曲率則最為嚴重(也是最大的)。
倘若你 “站立” 在黑洞的視界之上,雙腳位于視界面邊緣,頭部與奇點相距 1.7 米,此時便會有一股力量拉扯你的身體,產生強烈的潮汐引力,我們形象地稱之為 “意大利面化” 效應。
倘若這個黑洞處于我們星系的中心,作用在你身上的拉伸力僅為地球引力的 0.1%;但要是地球本身變成一個黑洞,你站在上面,所承受的拉伸力將達到目前地球引力的 102?倍!
了解了上述知識后,接下來我們就來驗證一下,是否真的能用特別堅硬的繩子將物體從黑洞中拉出來。如果一個大黑洞在事件視界邊緣的潮汐力較小,或者有一根在電磁力作用下堅不可摧的繩子,把一個物體懸掛在事件視界之外,讓它短暫地穿過視界面,隨后再安全地將其拉回,這真的有可能實現嗎?
為了弄清楚這個問題,我們需要回溯到中子星向黑洞轉變的那個關鍵節點,也就是在質量閾值處發生的一系列變化。
想象一下,有一個密度驚人的中子球,其表面的光子尚可逃逸至太空中,不會螺旋墜入中子星。此刻,我們在其表面再放置一個中子,這個中子就如同壓垮駱駝的最后一根稻草,瞬間,中子球自身無法抵御引力,開始進一步坍縮。
那么,當黑洞形成時,具體發生了什么呢?
現在,我們再想象一個由夸克和膠子構成的中子。我們知道,在中子內部,膠子在夸克之間運動,傳遞強核力,從而將夸克組合在一起形成中子。在中子星坍縮成黑洞的過程中,其中一個夸克會比另一個夸克更靠近黑洞中心的奇點,而另一個則相對較遠。
為了實現力的交換,維持中子的穩定,膠子必須在某一時刻從靠近奇點的夸克移動到遠離奇點的夸克處。然而,即便膠子以光速運動(膠子沒有質量),此時也無法再傳遞強力了!
因為在黑洞內部,所有零測地線,也就是物體以光速運動的路徑,最終都會指向黑洞中心的奇點。這意味著,膠子的運動路徑不再是自由地傳遞強力,而是只能朝著奇點墜落,并且,膠子永遠不可能比發射時距離黑洞奇點更遠。
一旦進入黑洞的視界面,所有的力都無法正常傳遞。這就是為什么黑洞視界內的中子必須崩潰,最終成為中心奇點的一部分。
現在,讓我們回到那根跨越黑洞視界面的繩子。
無論何時,只要有任何粒子穿過視界,就絕無可能再從視界中逃逸出來。光子和膠子是負責與視界外粒子交換力的粒子,可一旦它們進入視界面,就會徑直落向黑洞奇點,根本無法到達視界外去傳遞任何力!
沒有了電磁力或強核力,任何物質都將土崩瓦解,因為在這種情況下,原子都無法穩定存在。倘若我們還假設繩子不會斷裂,那么更有可能出現的情況是,這些粒子沖向奇點的作用力會將整艘宇宙飛船都拖入黑洞。
當然,即便黑洞的潮汐力很小,不足以分解任何物質,但所有具有質量、能量和速度的粒子,一旦穿過視界,都會朝著奇點運動,而不會再去傳遞任何力。
綜上所述,一旦穿過黑洞的視界,無論采用何種方法,都無法再走出黑洞。
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