關於黑洞的最大神話,絕大多數人都有誤解

2021-01-08 老胡說科學

黑洞是空間的一個區域,在這個區域內,體積如此之小,質量如此之大,以至於存在一個視界:在這個區域內,任何東西,甚至光,都無法逃逸。但這並不一定意味著黑洞會吸收物質;他們只是被吸引。黑洞是宇宙中最奇怪、最奇妙的物體之一。由於大量的質量集中在一個極小的體積中,它們不可避免地坍塌成奇點,被任何東西都無法逃脫的視界包圍。這些是整個宇宙中密度最大的天體。無論什麼時候任何物體太靠近黑洞,黑洞的力都會把它撕裂;當任何物質、反物質或輻射穿過視界時,它只會落在中心奇點上,使黑洞膨脹並增加其質量。

這些關於黑洞的性質都是正確的。但有一個相關的想法是絕對虛構的:黑洞會把周圍的物質吸進去。這與事實相去甚遠,而且完全錯誤地描述了引力的工作原理。關於黑洞最大的神話是它們很吸人。這是科學真理。

黑洞以吸收物質和擁有無法逃逸的視界,以及吞噬鄰近星系而聞名。但是,並沒有什麼「吸吮」,僅僅是物質的破壞和偶爾的物質流入。無論在理論上還是在實踐中,形成黑洞都有許多不同的方法。你可以讓一顆巨大的恆星變成超新星,它的核心發生內爆,形成一個黑洞。你可以看到兩個中子星合併,如果它們越過一個特定的質量閾值,就會形成一個新形成的黑洞。或者你可能有大量的物質——要麼是一顆超大質量的恆星,要麼是一團正在收縮的巨大氣體雲——直接坍塌成一個黑洞。

在足夠集中的空間中有足夠的質量,它周圍就會形成一個視界。在視界外,如果你以光速離開黑洞,你仍然可以逃脫。然而,如果你位於視界內,那麼即使以終極宇宙速度極限光速運動,你所能走的任何路徑仍然會把你引向中心奇點。在黑洞的視界內是無法逃脫的。

一旦跨過「門檻」,形成一個黑洞,視界內的所有東西都會壓縮到一個奇點,最多是一維的。沒有三維結構能夠完好無損地存在。然而,對於黑洞外的物體來說,仍然有很多麻煩。因為黑洞是如此巨大的物體,當你接近它時,你會開始感受到巨大的「潮汐力」。最熟悉的是來自月球的潮汐力以及它如何與地球相互作用。

當然,平均來說,你可以把月球看作一個質點,把地球看作質點,它們之間相隔38萬公裡左右。但實際上,地球不是一個點,而是一個物體,它佔有一個真實的給定體積。地球的某些部分將比其他部分離月球更近;部分會更遠。較近的部分會受到比平均水平更大的引力;距離越遠的部分吸引力就越小。

從一個物理物體表面的任何地方,都會有一個力把它拉向一個外部引力質量的方向。沿著該物體的不同點受到的力略有不同,從而產生淨潮汐力:單個點上的力與整個物體上的平均淨力之間的差異。但不僅僅是因為地球的某些部分離月球更近,某些部分離月球更遠。像所有的物理物體一樣,地球是三維的,這意味著地球的「頂部」和「底部」區域(從月球的角度來看)相對於位於地球中部的部分,將被拉向地心。

總而言之,如果我們減去地球上每個點所受的平均力,我們就能看到表面上所有的點如何以不同的方式感受來自月球的外力。這些力線描繪了物體所受的相對力,並解釋了為什麼經歷潮汐的物體會沿著力的方向被拉伸,並與力的方向垂直被壓縮。

物體中心的力等於平均合力,而遠離中心的不同點會受到不同的合力。這就產生了「義大利麵化」效應。離大質量物體越近,潮汐力就越大;潮汐力變得越來越大甚至比引力的增長還要快!由於黑洞的質量和密度都非常大,它們產生了宇宙中已知的最大的潮汐力。這就是為什麼當你接近黑洞時,你會發現自己被「義大利麵化」了,或者被拉長成細麵條狀。

基於此,很容易理解為什麼黑洞會把你吸進去:你離黑洞越近,引力就越強,把你撕裂的潮汐力也就越強。

這幅藝術家的作品描繪了一顆類日恆星在接近黑洞時被潮汐撕裂的景象。對於一個LHC質量的黑洞,這些力是無關緊要的,因為它們小得可以忽略不計,但是對於像我們銀河系中心這樣的黑洞,靠近視界的潮汐力可能是巨大的。儘管如此,那種認為你會被「吸進黑洞」的想法仍然是一種誤解,而且是一種非常愚蠢的想法。構成一個受黑洞影響的物體的每一個粒子仍然遵循同樣的物理定律,包括廣義相對論產生的時空引力曲率。

誠然,空間的結構因質量的存在而彎曲,而且黑洞提供了宇宙中質量最集中的地方,同樣,質量的密度與空間如何彎曲無關。如果你用同樣質量的白矮星、中子星或黑洞來代替太陽,作用在地球上的引力也不會有什麼不同。它是繞著你的空間彎曲的總質量;密度實際上與之無關。

放下一個物體而不是一個空的、空白的三維網格,會導致原本是「直線」的物體變成特定數量的曲線。在廣義相對論中,我們把空間和時間看作是連續的,但所有形式的能量,包括但不限於質量,都會導致時空彎曲。如果我們用一個密度更大的版本來取代地球,直到並包括一個奇點,這裡顯示的時空變形將是相同的;只有在地球內部才會有顯著的不同。從遠處看,黑洞就像宇宙中的其他質量一樣。只有當你非常接近時——在史瓦西半徑內——你才開始注意到偏離牛頓引力的方向。儘管如此,黑洞只是作為一個吸引器,接近它的物體將會做出它們通常會做的軌道:一個圓,橢圓,拋物線或雙曲線,一個非常好的近似。

由於潮汐力的作用,接近的物體可能會被撕裂,而且由於黑洞周圍以吸積盤的形式被吸積的物質,可能會產生額外的影響:磁場、摩擦和加熱。考慮到這些額外的相互作用,其中一些物質可能會被減慢,最終被黑洞吞噬,但絕大多數物質仍會逃逸。

藝術家對活躍星系核的描繪。位於吸積盤中心的超大質量黑洞將一股狹窄的高能物質射流送入垂直於吸積盤的空間。大約40億光年之外的一場「大火」是許多高能宇宙射線和中微子的起源。只有來自黑洞外部的物質才能離開黑洞;視界內的物質永遠無法逃逸。事實是黑洞沒有吸收任何東西;黑洞所施加的力是普通物體(如月球、行星或恆星)所不能施加的。最後,一切都只是重力。最大的區別是,黑洞比大多數物體密度大,佔據的空間體積小得多,而且能夠比任何其他單一物體大得多。土星可能很好地繞太陽,但如果用銀河系中心的黑洞取代太陽,黑洞的質量是太陽質量的4000000倍——潮汐力將會強大到足以打破土星成一個巨大的環,它將成為黑洞的吸積盤的一部分。在引力場、電場和磁場的作用下,如果有足夠的摩擦力、熱量和加速度,所有物質最終都會落入內部並被吞噬。

一個活躍的黑洞,一個吸積物質並以兩股垂直射流將一部分物質向外加速的黑洞,是類星體如何工作的傑出描述。黑洞將是混亂的吞噬者;絕大多數經過黑洞附近的物質都會以某種形式被吐出來。只有一小部分落在視界內,才會導致它增長。

如果我們用質量相等的黑洞替換宇宙中的每一個質量,並除去所有的摩擦物質,比如吸積盤,那麼就幾乎沒有東西會被吸進去。一個粒子唯一會經歷的摩擦是由於它在黑洞產生的彎曲時空中運動時釋放出的引力輻射。由於愛因斯坦理論本身的行為,只有構成內部到視界半徑三倍的物質——相對論中最穩定的圓形軌道的內部——才會不可避免地被「吸進去」。與我們物理現實中實際落入事件視界的東西相比,這些影響是微不足道的。

最終,我們只會得到重力,以及由於這些質量的存在而產生的彎曲時空。黑洞吸進任何東西的想法是他們最大的神話。它們由於引力而增長,僅此而已。在這個宇宙中,這已經足夠了。

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