书城科普读物地球的终结
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第45章 意大利面

在某些方面,黑洞并不总是那么标新立异。

任何有质量的物体都有引力。你有,我有。锤子有,地球有,太阳有,黑洞也有。你从一个物体那里感受到的引力取决于两个方面。一是那个物体的质量:当一个物体的质量增加一倍,它对你的引力也会增加一倍。

引力的另一个决定因素是你与这个物体的距离——实际上是你和它的重心(center of mass)的距离。记得吧,前面曾描述过,引力随着距离的增加成倍地下降,这反过来也就意味着引力在你靠近时成倍地增加。

我们以太阳为例。它很重——足有2×127(2后面27个零)吨,而且也很大——大约86万英里宽。如果你可以在不被蒸发的情况下站在太阳表面,感受到的万有引力相当于地球上28倍。

不过这是你从太阳那得到的最大的引力了。如果你往后退(是个不错的选择),你受到的引力会下降(因为距离远了)。而且如果站在表面,你也不能再近了。如果要再近一些,就要进入太阳了。那样的话虽然你更接近太阳的中心,但现在你的外面也有物质了。你可以想象这些物质会对你产生向上的引力,抵消部分向下的引力。越接近太阳的中心,你受到的引力越小。在正中心,就感受不到引力了。

现在,我们稍微调整一下。维持太阳的质量不变而压缩它的体积,它的直径变为,比如3.6英里。既然所有的质量现在被打包到一个只有之前体积1/24 的球体里,表面的引力会猛增……但是你在43万英里外(初始的太阳半径)感受到的引力完全一样!

很简单:质量没变,距离也没变。既然引力仅取决于这两个变量,你感受到的引力和正常情况下的太阳就应该是一样的。

不同的是,如果这时你再次靠近,引力就会上升(之前它是下降的,因为那时你在太阳里面)。太阳变得很小,你可以不断向它靠近,而且随着你的靠近,引力不断增加。引力变大、变大……直到你来到距离中心1.8英里的地方(直径的一半),在这个点上,你的麻烦真的来了。

太阳的引力会相当强,光线都无法逃脱(你肯定在想,它们会去哪儿呢?)。是的——如果我们可以把太阳压缩到那个尺寸,它就变成了一个黑洞!

在这里,很重要的一点是:对于离得很远的物体来说,来自一个黑洞的引力与来自一个比黑洞大很多但质量相同的物体的引力是完全相同的。在一个无限远的点上,质量是太阳十倍的黑洞的引力与质量同样是太阳十倍的普通恒星的引力是完全一样的。

黑洞是很危险的,因为你有可能会靠近它。这是它的真正威力所在。它们不一定要比其它物体质量高——很多恒星的质量比黑洞大很多。它们靠的是“个头”,或者也可以说是它们的缺陷:黑洞都很“矮小”。你可以靠得很近,而你一旦真的靠近,它们的引力将急剧增加。

假设你很“勇敢”(或者说莽撞),尝试着接近黑洞,会有什么样的后果呢?

如果你的脚先进入黑洞,那么你的头大概离黑洞有6英尺(当然,这取决于你的身高)。既然引力取决于距离重心的距离,黑洞对你的脚的引力比对你的头的引力大。在较远的距离时,你的头和脚所受的引力的区别很小,不过当你靠近时,差距会拉大。

这种作用力被称为潮汐力(tidal force)。地球就经受着来自月亮的潮汐力:靠近月球的一面受到的月球的引力比远离月球的一面要大一点。受此影响,正对着月球的一端会产生一个凸起。不过让人想不到的是,地球实际上产生了两个凸起:正对着月球有一个,远离月球的另一端也有一个!

原来,由于月球对地球中心的引力比对远端要大——中心离月球更近,因此,月球实际上是在把地球的中心拉离远端,最后的结果就是在远离月球的一面出现了一个凸起。对于一个受潮汐力作用的物体来说,它仿佛在被拉伸着——就像是一只手拿着橡皮筋的一端,另一只手拿着另一端,然后向外拉。

潮汐力与引力有点相似,只是引力与距离的平方成反比,而潮汐力与距离的立方成反比。你与一个物体的距离减少一倍,引力是之前的4倍,而潮汐力增加到8倍。距离缩小十倍,引力增加到1倍,潮汐力增加到1倍。

很显然,这会带来一个问题。

假设你穿着一件宇航服,盘旋在一个黑洞——质量是太阳的5倍,视界大约18英里宽——的上空。天文学家称这种类型的黑洞为恒星质量的黑洞(stellar mass black hole)。我们再假定你离得很远,比如1万英里。如果从这个高度开始下落,到达视界的整个旅程仅需几秒!在这个高度上,黑洞对你的引力是地球的27万倍。不过你根本感觉不到,因为你在自由落体,作用在你身上的只有引力,你实际上只会感到失重,就像特技跳伞运动员在降落的前几秒或者宇航员在空间站中围绕地球运转时的感觉一样。

在这个距离以外,由6英尺的差距而在你的头和脚之间产生的潮汐力不值一提。

在你下降了差不多一秒钟后,你“飞行”的速度已经相当快。到达5英里的位置时,还有不到一秒钟你就会撞到视界了。如果你的反应足够快(因为只有一秒钟了,我们希望你能意识到在你身上发生了什么),会有一种奇怪的感觉,觉得自己好像在被朝着相反的方向拉——一个向里、一个向外,你忽然变成了拔河比赛中的“绳子”。来自黑洞的潮汐力在你的脚上产生了大约是地球引力的1/4、向着黑洞的拉力;与此同时,还有一个方向相反的、大小相同的拉力作用在你的头上。如果你的体重是16磅,那么你的感觉就像是有一个4磅的重物在拖着你的脚,同样的重量在拉着你的头。这虽然不会致命,但也很不舒服。你的头发会全部立起来。不过,用不了一秒钟,事情又会发生变化。

在15英里的位置,感觉更加强烈。作用在你的头脚上的拉力已经是地球引力的1倍(16磅),你像太妃糖一样被拉扯着!头部的血开始淤积,你将失去知觉(战斗机飞行员称之为“红视”,与血液离开大脑时产生的“黑视”相反)。如果知道接下来的几微秒将要发生什么,你肯定会因此而感到庆幸,宁愿昏迷而不想清醒。

真正的麻烦来了。在距离黑洞5英里的地方,头脚之间相反的、55倍于地球引力(4吨)的潮汐力会把你一分为二。人体无法经受如此大的作用力,你的头和脚在血液淤积产生的数百磅的压力下会爆开。

在距离黑洞表面5英里的地方,潮汐力已是地球引力的7多万倍。这就好像把你悬在深渊上,脚上绑着一艘游轮。你的骨头“咔嚓”一声折为两半,然后再折,再折,变为碎片……

先别闭眼!还有呢:你不仅是在纵向上被拉伸,还会在横向上被挤压。你身体的左边与右边落入黑洞中心的路径会有不同,它们都想直接落入黑洞的中心,因此你的右边受到左边的压力,左边受到右边的压力。相互作用的压力相当强(和拉伸的力差不多),你实际上同时被拉断、挤扁。

当物质落入黑洞,可能会堆在视界外面,形成一个扁平的盘体。摩擦力和其它力量将其加热到数百万度,也可以聚焦形成能量和物质喷射流,正如图中艺术家所表现的那样。

你就像一管牙膏,而黑洞有一个铁拳,经过加工,你变成一缕细细的如面条般的“人肉条”。

当你的脚(嗯,准确地说曾经是你的脚)到达黑洞视界的正上方时,你已经没有人形了。你已被拉成数英里长的细线,像一根意大利面。科学家们称这个过程为“意大利面化”(spaghettification)。

而黑洞,仿佛很喜欢这个类比,唏哩呼噜地把你吃了进去。

看到了吧,仅仅掉进黑洞并不是它杀死你的唯一方法。“乐趣”还藏在过程中。