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30光年在現代人類看來是一個遙不可及的距離,畢竟比鄰星距離才4.22光年我們都無法到達,但對於銀河系將近10萬光年半徑,或者可觀測宇宙930億光年直徑來說,簡直就是一個微不足道的距離,那麼我們今天就來算算,一個半徑30光年的鉛球坍縮成黑洞後,地球要多遠才能保證安全!
為什麼鉛球會坍縮成黑洞?
其實無論什麼物質,只要質量夠大,尺寸夠小那麼其將被引力所壓縮,最終突破極限坍縮成黑洞,假如要搞清楚為什麼會坍縮成黑洞,那麼需要一些前奏,要不然一句話坍縮成黑洞,可不是那麼好玩!
物質是怎麼壓縮的?一團棉花可以壓縮,因為纖維之間存在大量的空隙,空氣也能很容易被壓縮,因為分子間隙很大,比如氣體分子的間隙是其直徑的十倍,理論上空氣能被壓縮1000倍,當然這很難,但這只是開始而已!
但液體和固體就很難被壓縮了,因為分子間隙很小几近沒有,因此液體可以作為液壓機中壓力傳遞的理想物質,當然固體也可以,但事實上要讓固體流動的壓力我們還難以實現,所以各位先將就下用液體傳遞!
但兩者並非不可壓縮,只是壓力夠不夠而已,因為使物體保持結構完整的電磁力在起作用,再壓縮就是突破電磁力的極限了,原子核外圍的電子與其他原子的電子存在相互斥力,這可是一個難以逾越的坎,即使馬裡亞納海溝的壓力,也僅僅只能使水體積縮小4%而已,而且這之中大部分貢獻都是分子間隙壓縮提供的。
不過壓力繼續加大,那麼電子之間的斥力也難難以排斥,將會突入原子內部的空間,根據我們對原子結構的了解,原子核只佔龐大原子內部空間一丟丟,所以壓縮電子的效率是極高的,如果有足夠大的壓力,將原子核外圍的電子壓縮到原子核附近,呈電子簡併態,那麼密度將會提高N個數量級,比如白矮星物質就是,它的密度是水的1000-10000倍,也就是說一礦泉水瓶白矮星物質,有可能有5噸甚至更重。
但壓力繼續增加,電子會進入原子核,與質子中和成中子,此時物質的密度就是原子核的密度,當然大家都知道中子星物質的密度,大約是水的一百萬億倍,只要一立方釐米中子星物質出現在地球上,那麼地球的末日就來到了。
不過中子星物質並不是終極,它可以被繼續壓縮,但越過它物質將被壓縮成一個沒有直徑的點,無論多少物質它的表現就是一個沒有三維尺寸但有三維位置的點。什麼樣的天體會讓物質坍縮成這種怪胎呢?史瓦西在1916年根據愛因斯坦的廣義相對論引力場公式求出了史瓦西度規,描述的就是多大質量的天體在多大直徑以下時,它將被自身的引力壓縮成黑洞!
天體成為黑洞後,所有一切信息都將丟失,只剩下質量與原來天體的角動量以及電荷,這就是著名的黑洞無毛定律,或者說黑洞三毛定律。
半徑30光年的鉛球威力如何?
其實無論是金球還是鐵球這些參數都不重要,因為在這裡只有一個密度參數可以用,即使是黃金坍縮而成,它一樣是一個看不見的黑洞,而不是金光閃閃的黑洞。
鉛的密度大約是11.3噸/立方米,那麼根據球體積公式可以算出質量為4×10^49噸,各位不必驚訝,它的質量大約是太陽的2×10^22倍,木星的2×10^25倍,根據史瓦西度規可以計算出它的視界半徑大約是600萬億億千米,約合60億光年!
根據黑洞平均密度公式,我們可以計算出這個黑洞的平均密度大約是4.47e-17克/立方米,這個密度低到嚇人,大約一立方釐米幾十個原子的質量,也就是和星雲密度差不多,是不是很驚訝?其實黑洞無限大的密度是集中在奇點處,如果將視界作為平均密度的計算的話,那麼它有可能比空氣還要低得多,而黑洞的質量越大,則密度越低!
所以在這個半徑60億光年的視界處,地球是不會有任何危險的,然後穿過這個視界地球也沒多大問題,大概到哪裡有問題呢?我們來簡單計算下:
地球介於剛體和流體之間,就d的取值就等於2吧,地球平均密度大約是5507.85千克/立方米,代入計算後得2411513619419270.828千米處,大約是254.897光年!
只要地球在距離奇點255光年以外即可萬事大吉,但各位有沒有發現,地球已經在它的視界內了!其實這也沒啥好奇的,如果將木星和地球的密度代入計算,各位講能算出洛希極限在木星的內部,也就是說地球撞入木星才會解體,因為地球的密度比較高,而木星的密度比較低,因此對於地球這種高密度天體來說,洛希極限會在木星內部,因此《流浪地球》中的木星洛希極限是錯誤的哦,不過地球距離過近,潮汐引力導致地球結構改變,導致火山噴發或者大氣流失倒是正常的!
但在視界內是個什麼概念?我們將無法逃離它,所有很多朋友認為宇宙就在某個黑洞的視界內,這是很有道理的,所以我們無法逃離宇宙!