第四章中提到,黑洞的逃逸速度是光速。这意味着任何落入其中的物体都不可能逃脱(据我们所知,没有比光速再快的了)。
因此,来自黑洞的第一个也是最明显的危险就是:掉进去。如果这真的发生了,嗯,那就这样了。这是一次单程旅途。你完了,没有什么可说的了。
单从置人于死地的方式看,这并不怎么刺激——没有致命的射线,没有宏大的、可怕的灾难场面。仅仅一击,就结束了。
从讲故事的角度来说,缺乏戏剧性难以满足听众的要求。不过,这仍然挑战了我们的常识。如果你驾驶着火箭不小心跌入一个黑洞,难道不能转过头来,加足马力,逃出来吗?
对不起,你不能。黑洞超强的引力使得我们不得不改变对空间、时间和运动的理解。
从数学公式上看,随着你和一个物体距离的增加,它对你的万有引力下降的速度是距离的平方;如果你和一个物体的距离扩大一倍,你感受到的万有引力是原来的1/4.距离扩大1倍,引力下降到原来的1/1.不过,即使把距离拉大到你满意的程度,引力还是存在的,它永远不会下降至零。
设想一下,在地球表面,有一个人手里拿一个球,当他径直把球向上扔,随着高度的增加,球在引力的作用下会逐渐减慢速度。最终,球速下降到零,然后开始落回地面,一路加速向下直到他接到它。
我们打开思路,假设这个人把这个球扔得很高,比如好几英里。在球上升的过程中引力把它往下拉,使得它减速。不过,球飞得越高,引力的作用就会由于距离的拉大变得越小。因此,虽然它的速度在减弱,但是随着高度的增加,它的速度减弱的速率在下降。
这就意味着,如果可以把这个球以恰当的速度扔出,引力在使得球的飞行速度降低的同时自身也在以相同的速率下降,球速一直在下降,但是永远不会下降到零。它会保持着飞离地球的状态,只是速度越来越慢。
这就是逃逸速度的定义——即一个抛射物所需的初始速度,以这个速度它会一直离开另一个物体(比如地球),速度不断下降但永远不会停下,也永远不会再回来。
如果以低于逃逸速度一丁点儿的速度向上抛一个球,它会飞行很长的一段距离,但是最终还会回来。如果高于逃逸速度,它就和你彻底“拜拜”了。在逃逸速度上——对于地面上的物体来说是每秒钟7英里——这个球正好能逃离地球。
不过,既然引力随着距离的增加而减弱,逃逸速度也会随着距离的增加而下降。如果你站在一座非常高的山上,逃逸速度比海平面要稍微小一些。同时,逃逸速度还是一个冲量,也就是说,必须在瞬间作用在物体上才有效。如果你能通过某种方式,在一个抛射物上升的过程中持续为它加速,那么逃逸速度的概念就变得有点微妙了。
也就是说,你可以以低于逃逸速度的速度——至少低于在地面的逃逸速度——逃离地球。假设有一个具备无穷燃料供应的火箭,以6英里每小时的速度发射,调节引擎以维持这个速度不变,不减速也不加速,最终,火箭会越飞越高,引力也会越来越小,那么逃逸速度在这里就降为6英里每小时。即使从未到达甚至接近每秒7英里这个地面上的逃逸速度,它也已经逃离了地球。
因此,我们可以把这种情况类推到黑洞上,对吧?如果在落入黑洞时有一个足够大的火箭,就可以加足马力向外冲,在飞离黑洞足够远时到达一个可以实现逃逸速度的点上。那么我们就可以重获自由了!
很不幸,这种办法行不通。我在前面说过,不能用正常的逻辑来理解黑洞!
爱因斯坦在自然科学领域的一个重大发现就是,他认为,空间是有形的。它并不是空洞的,而是一个巨大的“建筑物”,里面住着很多“居民”。有质量的物体就有引力,而引力会弯曲空间(上一章举过保龄球和床垫的例子)。任何一个物体在经过另一个质量更高的物体时,在引力的作用下,路径都会出现弯曲。
重要提示:有的人在解释黑洞如何扭曲空间时,不可避免地会用一个平面在重物的作用下产生的弯曲来做类比,比如床垫和保龄球。不过,这很可能会导致一种误解:把黑洞看作一个由漏斗形状的扭曲空间所包围的圆。但是实际上,黑洞是三维的,而这个类比只是二维的。黑洞是个“球”(而不仅是个圆),扭曲的空间也并不像个漏斗。我们很难描绘扭曲的空间是什么样的,因为我们自己就生活在那些维度里,描述它们就好像让那些生来就看不见的盲人描述什么是红色一样难。我们可以用数学模型来描述它,预测它,甚至可以据此去理解其它方面的物理现象,不过在我们的脑海里勾勒它的模样基本上是不可能的。
因此所有那些诸如“瀑布”、“悬崖”之类的描述都只是类比,用两维来代表现实中扭曲的三维。读到这里,你可能感觉不太好,宇宙怎么让人觉得这么不舒服?其实,正因为如此,本书才有了这样的题目。
现在,我们还是回到黑洞安排的死亡时刻表。
黑洞不仅形成一个空间上的凹陷,它还开辟了一个无底深渊,一个竖直方向上无穷深的洞。一旦你掉进去了,没有什么速度可以把你再拯救出来。你会一直往下,没有什么能够阻挡。对于黑洞来说,它“表面”——被称为视界(event horizon)——的逃逸速度是光速。
想要更准确地理解这些,需要应用爱因斯坦的相对论。研究黑洞多年的科罗拉多大学天体物理和行星科学系天体物理学家安德鲁·汉密尔顿(Andrew Hamilton)有一个非常有趣的类比:要理解黑洞,一个比较好的方法是把它想象成一个“瀑布”。落入黑洞的不是水,而是空间本身。在“水平面”(即视界)以上,空间下降的速度低于光速;在“水平面”上,空间以光速下降;在“水平面”以下,空间下降的速度高于光速。“瀑布”携带着的东西很丰富,其中包括光线。把黑洞描绘成一个空间下降的速度快于光速的时空区域的设想不仅是个概念,它具有深厚的数学基础(这点需要额外强调)。
这看起来与通常的说法——光速是最快的速度——相悖,不过那是针对有质量的物质(包括光在内)而言。空间和物质是不同的(爱因斯坦的另一个重要提法),它想做什么就做什么,包括以高于光速的速度移动。
如果你位于视界的下面,空间下降的速度将超过光速……如果你愿意,它也可以带上你。不过,如果你想沿着“瀑布”向上,根本不可能,因为你无法使得你的“船”向上行进的速度超过“水”下落的速度。所以,在黑洞内部,空间以“内部”速度落向中心,你的火箭无能为力。等待你的只有死亡。
可以换一种方式思考这个问题(不过这个更难理解)。你可以看一下时间和空间在黑洞周围如何相互影响的方程式(极其复杂),你会发现:在视界下面,代表空间的变量是被限制住的。在黑洞外——比如你现在的位置——你可以自由移动:向上、向下、向前、向后、向左、向右。不过,在黑洞里,你是没有自由的。只有一个方向可供选择:向下。
黑洞很“有趣”:它使得如走来走去这样一个简单的活动都变得很复杂。不过,再次强调的、最基本的一点是:如果你掉进去了,无论如何,你都没有生还的可能了。