黑洞是不是可以吞噬任何東西?這背後的原理是什麼?

2020-12-03 鍾銘聊科學

黑洞可以吞噬任何我們已知存在的東西,信息、物質、能量都不能倖免。那為什麼黑洞會有這麼大的破壞力呢?

黑洞的引力

在宇宙中,有個江湖規矩被叫做:質量為王。意思就是說,質量越大越有地位,如果質量超過太陽質量的7%,那就會成為一顆恆星,而小於這個數值要麼是一顆褐矮星,要麼就是行星,再不濟就是矮行星或者小行星。

而同樣是恆星,質量不同,壽命也會不同,結局也不同,像太陽最終會變成一個白矮星;而質量大於8倍以上太陽質量的恆星,最終可能會變成中子星或者黑洞。

那為什麼質量會如此重要呢?這是因為質量和引力有關,通過牛頓的萬有引力定律,我們知道引力與天體的質量成正比。

一個飛行器要繞著一個天體飛行時,至少是需要達到這個天體的第一宇宙速度,比如說,地球的第一宇宙速度就是7.9km/s,當飛行器達到這個速度就可以繞著地球飛行了。

如果讓飛行器的速度加快,超過根號二倍的第一宇宙速度時,這時候的速度就可以讓飛行器擺脫地球引力的束縛,飛離地球,這也被叫做第二宇宙速度。同樣的,不同的天體有不同的第二宇宙速度,地球的第二宇宙速度是11.2km/s。

無論是第一宇宙速度和第二宇宙速度其實都和天體自身的質量有關,質量越大,所需的速度就越大。而黑洞的奇葩之處在於,它的引力十分巨大,大到第二宇宙速度遠比光速還要高。這就使得任何低於或者等於光速的東西都會被黑洞吸進去,而無法逃逸。

我們知道,根據愛因斯坦狹義相對論的「光速不變原理」的假設,我們可以推出,任何物質、信息、能量都無法超越光速,因此,我們已知的物質都會被黑洞所吞噬。

當然,以上我們只是通過牛頓力學來理解這件事,但我們要知道的是,牛頓的萬有引力定律只適用於弱引力場,在強引力場誤差會特別大,這時候我們需要用廣義相對論來理解這件事。愛因斯坦認為:引力的本質是時空的彎曲。

地球之所以能夠繞著太陽轉,是因為太陽壓彎了周圍的時空,地球沿著時空的測地線(也就是四維時空中的「直線」)在運動,如果切換到二維平面就是這下面這樣:

所以,惠勒曾經總結廣義相對論對於引力本質的解釋時說到:時空告訴物質如何運動, 物質告訴時空如何彎曲。

太陽會使得時空彎曲,其實黑洞也是如此,但是它和太陽不一樣的是,黑洞對於時空的彎曲程度十分劇烈,以至於在周圍的物質如果沿著測地線運動都會掉落到黑洞當中,光也不例外。

因此,我們會發現,無論從哪個角度來看,都能解釋黑洞吞噬物質的原因。

有沒有例外?

我們要知道宇宙中已知的物質只佔了4.9%,剩餘的都是暗物質和暗能量,佔到了95%以上。

而我們現在知道,暗物質可能只參與引力和弱力,而暗物質和黑洞之間到底是什麼關係,有沒有交集,黑洞會不會吞噬暗物質,我們都還沒有辦法去下定論。這裡的根本原因就在於我們對暗物質知之甚少,它會不會成為例外這一點目前還很難說。不過,和暗物質性質有點類似的中微子,穿透力也是極強,每秒鐘有10萬億個中微子穿過我們的身體,我們都無法感知到。但是它也無法擺脫黑洞的魔爪,中微子遭遇黑洞也只能束手就擒。

最後,我們來總結一下,目前已經探明的物質都沒有辦法逃離黑洞,無一例外。這是因為黑洞的巨大引力所造成的。

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