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如果吃一小勺黑洞會怎麽樣?

2018-09-21心靈

本文為我給知乎即將出版的一本書【大人請回答】寫的短篇科普。

更多短篇科普作品收錄在這個專欄:

我非常理解你這個宇宙級吃貨饑渴的心情。

但我不得不遺憾地告訴你,哪怕你不顧個人安危,以冒死吃河豚的心態去吃黑洞,你的夢想也無法實作。

因為,你能放進嘴裏的黑洞根本不可能存在,更別提吃下去了。

宇宙中自然存在的黑洞,是恒星在生命末期塌縮形成的。但是,並不是所有恒星都有資格變成黑洞。一顆恒星能不能變成黑洞,取決於它燒完後的品質。如果品質小於1.4倍(錢德拉塞卡極限)的太陽品質,電子簡並壓足以抵抗星體自身的重力,恒星的塌縮就會停止,最終會變成白矮星。

如果恒星品質是太陽品質的1.4到3倍(歐本海默極限),恒星重力更大,電子簡並壓不足以支撐,會繼續塌縮。但是,中子簡並壓最終會把所有的壓力扛下來,然後恒星變成比白矮星更小的中子星。

一顆恒星要變成黑洞是有門檻的,它的品質至少不能低於太陽的3倍。比如美國俄亥俄州立大學的天文學家發現的「獨角獸」,位於麒麟座,距離地球1500光年,品質是太陽的3倍。這已經是迄今為止能找到的最小的黑洞了。

現在,你站在離這個3倍太陽品質的「小」黑洞面前,距離它1公尺,然後優雅地伸出小勺——等等,這是不可能的!在巨大的重力面前,你根本來不及站穩,就被黑洞吸進去了!

人體受到的重力,取決於兩個因素:天體品質,和你和它之間的距離。地球的品質很大,比人的品質大得多,但我們在生活中並不覺得重力太大。雖然強如C羅、詹姆士跳起來也只能離開地球表面1公尺,不過,至少我們普通人站立、走路沒有問題。但是,地球的重力不大,是因為生活在地表的我們,和地球的質心相距6300公裏——也就是地球的半徑。

如果地球是一個半徑1公尺的小球,而品質不變,我們和地球的質心相距1公尺,那麽你受到的地球重力將增加6300000^2——相當於4 x 10^19倍,因為重力和距離的平方成反比。太陽品質是地球的33萬倍,而你想下口的小黑洞品質是太陽的3倍,所以,你在小黑洞面前1公尺所受到的重力,是地球重力的4 x 10^25倍。

地球表面的重力加速度大約是10。也就是說,掛在樹上的1只蘋果(或者任何東西)從靜止開始落地,第1秒會加速到10公尺/秒。而你在小黑洞面前,第1秒就能加速到4 x 10^26公尺/秒。事實上,這個速度是不可能達到的,因為它比光速大了10^18倍,而光速,是這個宇宙資訊和物質的速度上限。你會在瞬間加速到接近光速,然後被吸進黑洞。

從某種意義上說,你想吃黑洞,結果卻是黑洞吃了你。

實際上,如果你站在距離黑洞質心1公尺的地方,黑洞甚至都不需要吃了你,因為你已經在黑洞的肚子裏了。

很多人以為,黑洞是個沒有大小的「奇異點」,但其實,黑洞是有大小的,它的大小叫做「事件視界」。在距離黑洞很遠的地方是安全的,一旦距離太近,超過「事件視界」這個臨界點,沒有任何東西能夠逃離黑洞,包括宇宙中速度最快的光。

根據施瓦西半徑公式計算,這個3倍太陽品質的小黑洞的事件視界半徑大約是9公裏。只要你站在這9公裏半徑以內,就身處黑洞內部。黑洞裏面沒有出口,無法逃離。巨大的重力扭曲了時空,時間和空間在這裏倒轉。在我們生活的「正常」宇宙時空,我們可以在空間裏自由移動,然而無論你做什麽,都不可能改變時間的流逝。黑洞裏則相反:無論你做什麽,都不可能改變空間的流逝!也就是說,所有物體,包括光,都會無法抗拒地往一個方向移動,一齊走向黑洞中心的「奇異點」。

你想把黑洞放到肚子裏,結果卻是,你自己鉆到了黑洞的肚子裏。

那麽,我們站在黑洞9公裏外,安全地挖一勺,行不行呢?

當然也是不行的。

雖然你在黑洞外面,但你可能會被巨大的潮汐力撕碎。重力和距離的平方成反比,你身上每個部位到黑洞的距離不同,受到的重力也有大小差別,這就是「潮汐力」。當你流著口水、向黑洞伸出小勺的時候,你的手指受到的重力,比你胳膊受到的重力更大。這點差別在地球上不算什麽,但是對於黑洞這樣的大品質天體,這個重力差足以把你扯成蘭州拉面。

你想把黑洞做成一道菜,結果卻是,黑洞把你做成了一道菜。

不僅沒有吃上一口黑洞,反而被黑洞吃了,出現這種尷尬的局面,實在是很抱歉。

歸根結底,還是因為黑洞太大了。無論你多麽身強體壯,在3個太陽品質的黑洞面前,終究還是招架不住。

有沒有可能,我們找一些身材嬌小易推倒的黑洞,專挑軟柿子捏不就行了?

如果黑洞像一只布丁那麽小,甚至比一粒米都小,是不是就可以一口把它吞了?

這麽小的「微型黑洞」,在自然界是不可能存在的。因為能變成黑洞的都是恒星,而恒星需要足夠多的氫氣、足夠大的品質和重力,才能啟動核融合,開始燃燒。

但是假如,我是說假如,有人發明了某種黑科技,在實驗室裏造出了一個微型黑洞,結果會怎樣?

終於有機會讓你一飽口福了嗎?

假設現在有一個品質只有5克的黑洞,和一勺布丁差不多重。它的品質太小,所以重力也不會對你有任何影響,事件視界半徑也只有10^-28公尺。你完全可以優雅的走上前去,把這枚懸浮在半空中的迷你黑洞一口悶了。

如果你動作夠快的話。

根據理論物理學家史蒂芬·霍金的理論,黑洞不僅會吞噬物質,也會向外放射線能量。這就是用霍金的名字命名的「霍金放射線」。這種放射線是由於量子效應而產生的,其中一對虛粒子和反粒子在黑洞附近產生並分離,其中一粒子被黑洞吞噬,而另一粒子則被釋放到外部空間,導致黑洞逐漸失去能量和品質,最終會完全蒸發。

霍金放射線的過程非常緩慢,大品質黑洞需要數萬億年才能完全蒸發。然而,對於較小的黑洞,霍金放射線會導致它在極短的時間內蒸發殆盡。5克的迷你黑洞會因為霍金放射線,在10^-23秒內蒸發掉,比肥皂泡破滅的速度還快。

但是,因為能量守恒定律,這個蒸發的黑洞不會憑空消失。它的品質會完全變成能量,以電磁波放射線的形式釋放出來,也就是光。5克品質如果變成純能量,根據愛因史坦大名鼎鼎的質能轉換公式E = mC2,是4.5 x 10^14焦耳,相當於好幾個廣島原子彈的當量。當這個實驗室裏造出來的黑洞蒸發時,後果很嚴重。黑洞沒了,實驗室沒了,連同想吃黑洞的你也沒了。

你想把黑洞一口一口吃光光,結果卻是,黑洞和你,都變成了光。

這個悲傷的故事告訴我們一個道理:

珍惜生命,遠離黑洞。

對於吃貨如你,還得加上一條:

吃飯不規範,親人兩行淚。

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