书城科普读物地球的终结
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第48章 黑洞家族

由超新星形成的最小的黑洞大约12英里宽,差不多有两个珠穆朗玛峰那么大,而质量却是珠峰的115倍。

真可怕!大个的黑洞很吓人,那么是否有更小的黑洞存在呢?小点儿的会不会“可爱”些呢?

从理论上讲,有。它们被称为“原始黑洞”(或微型黑洞,有时甚至称它们为量子黑洞),个头很小,和大个头的兄弟们比起来,它们的质量轻得多,有的甚至比地球还轻。之所以被称为原始黑洞,是因为它们和宇宙的年龄差不多大,它们漂浮在宇宙深处,至今还未被观测到。

在宇宙形成初期,巨大的能量如暴风雪中的雪花一样被抛来抛去。就在“大爆炸”后的瞬间,宇宙像折纸一样被折了起来,相对较小的物质被充分挤压。如果这时物质的密度能够迅速提高,就有可能形成一个黑洞。

这种黑洞很诡异。它们的视界很小:一个质量如地球大小的黑洞可能只有半英寸宽——一个弹球大小。质量如小行星的黑洞比原子还要小很多!

很显然,如此小的黑洞比通常的黑洞更难观测(诚实点儿说,它们可能根本不存在,只是理论层面上的)。即使它们会吸积其它物质,进入微型黑洞的物质流也很少,在比较近的位置也有可能看不到。

你可能认为小个的黑洞会一直生长,不停地吞噬物质和能量,并在这个过程中越变越大。但是研究发现,黑洞不是永恒的,它们也会走向终结。

上世纪7年代,史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出一种猜想(这个猜想相当疯狂,不过只要谈到黑洞,很快就能进入“疯狂”的行列)。应用量子力学定律和热力学,他指出,黑洞在某种意义上是有温度的,它们能够和普通的物质一样散发能量,而这些能量就来自黑洞自身的质量。

过程是这样的。在量子力学中,宇宙的活动规则很古怪,请做好思想准备。能量和质量可以相互转化(能量很容易转变为质量,反之亦然)。另外,宇宙自身又能够从未知的地方喷出少量能量(你可以认为这是无中生有)。实际上,在宇宙的构造上,它确实蕴含着大量蓄势待发的能量,随时可能向外喷发。

这似乎违背了宇宙的一个最基本的属性:能量和物质是不能创造或者消灭的。通常情况下这是正确的。不过这里提到的从未知的地方创造出的能量只能存在非常短的时间,然后很快就消失了,回归到虚无。

这个过程有点像从银行借钱,最终是要还的。而且借的越多,最好尽快还。

如果宇宙决定喷出一点儿能量,只要它能很快地收回,那也没什么大不了的。这种现象速度很快,没有破坏任何自然定律。

但是,如果这种情况发生在黑洞视界附近,问题就比较棘手了。黑洞的引力会把这些能量转变为物质(宇宙中一直发生着类似事件,伽马射线就能在相互冲突或与物质相互作用时转变为物质)。按照物质守恒定律,这会产生两种粒子:一种是正常的物质,比如电子,另一种就是“反物质”。反物质很像物质,但它的电荷是相反的,所以反电子(称为正电子或阳电子)是带正电的。这抵消了带负电的电子,宇宙的“总账”是平的。

不过,如果这恰好发生在视界的边缘,就可能会出现这样一种情况:一个粒子落入黑洞而另一个没有。对于一个远距离的观察者来说,逃脱的粒子看起来好像是从黑洞中射出的一样。质量守恒定律(也就是能量守恒)还是要遵守的,补偿的物质来自黑洞。结果是,黑洞会失去小部分质量。

看这件事的另一种途径是应用潮汐力。当这对颗粒出现在黑洞视界的附近。来自黑洞的潮汐力把两个颗粒分开,一个掉进来,另一个射出去。分离这对颗粒需要一些能量,而这个能量来自某个地方。它来自黑洞本身——由于能量和质量是等同的,因此当这种现象发生时,黑洞的质量会减少一点。

这个过程的快慢取决于黑洞的质量。质量越低,黑洞的视界越小,这个过程也就更容易发生(或者可以说,黑洞的质量越小,视界附近的潮汐力越强)。既然黑洞在散发着质量和能量,因此从表象上看,黑洞好像是有温度的——它充满热情,要靠不断散发能量才能冷静下来。越小的黑洞温度越高,质量和能量丢失得越快。反过来,这也意味着质量更高的黑洞寿命更长。一个具有恒星质量的黑洞的温度大约仅有六百亿分之一度!

小个的黑洞比较“热辣”,它们以很高的速度向外散发颗粒。随着质量的减少,它的温度不断上升,从而进一步加快了物质散发的速度……这是一个逃离的过程。一旦质量下降到一定地步——大约1吨——黑洞就会在不到一秒的时间内把剩余的能量全部释放出来。于是就发生了高级爆裂,一次大爆炸:能量和物质将从黑洞中咆哮而出,释放出相当于1万个百万吨级的核弹同时引爆的能量。

在宇宙形成时产生的质量在十亿吨左右的微型黑洞,目前可能正处于这个阶段。质量更小的早在很久以前就消失了,质量更高的黑洞还很稳定。恒星级黑洞能够维持相当长的时间,它们的生命周期在116年以上,这比宇宙目前的年龄还要大很多(第九章会讨论之后发生的事情)。

目前还没有观测到量子级黑洞的爆发(一度有人推测伽马射线爆发事件可能源于此),虽然这个过程中涉及的能量很大,但是在数光年远的地方很难观测到。将来会有量子级的黑洞经过银河系吗?如果真的经过会发生什么?它们是否会和恒星级的黑洞一样危险呢?

假设有一个质量是1亿吨的黑洞——差不多相当于一座小山——向地球飞来,它的个头很小(宽度不到万亿分之一英寸,比原子还小),我们无法事先观测到它;它的引力也不足以影响到比它质量大很多的行星——月亮或者地球。不过,我们必须注意一点:由于霍金辐射(Hawking radiation),它会剧烈地燃烧,温度高达数十亿度!即使如此,它也比肉眼能看到的最微弱的星星还要黯淡,只能通过美国宇航局的“雨燕号”太空观测台(Swift observatory)等卫星在它靠近时探测它发出的伽马射线。

最终,这个“小黑洞”会进入我们的大气层。当它穿过空气时,不会吞噬太多物质;一个质量是1亿吨的黑洞即使在几码外,你也感觉不到它的引力。不过当这个距离小于一英寸时,来自黑洞的引力将猛增至地球引力的数百倍。在这个距离内的所有空气都会被吸进去。这会形成一个临时的小吸积盘,不过以每秒数英里的速度飞行的黑洞基本上没有时间做更多的事,它会很快地钻入地球表面。

对它来说,地球的固体物质相当于高级别的真空。以超音速飞行的比原子还小的黑洞会穿透地球,没有太多机会吞噬更多的物质。它的速度高于地球上的逃逸速度,因此它会甩开我们(体重也许会稍微增加一点点),继续它愉快的旅行。

好啦,这没什么危险,也没什么意思。我们挑个大点儿的。

假设有一个和地球质量相当的黑洞,在一系列不利因素的作用下冲着我们飞来。为了确保结果的刺激性,我们假设它飞行的速度很“慢”,每秒只飞几英里。需要说明的是,这是极不可能的——宇宙即使再过一千个轮回,这种事也不可能发生一次——因此,这完全是一个“倘使……会怎样”的情景,没有必要担心。

黑洞很难以如此慢的速度靠近地球,但也不是完全没有可能。比如,如果它以非常慢的速度起步,轻松绕过挡在路上的行星和月亮,充分调整原始轨道以至于能够与地球相撞而不是偏离到其它地方。这是个引力的“舞蹈”,其发生的概率比台球比赛中连续1盘一开局就收掉桌上所有的球还要低。不过为了节目的精彩,我们还是暂时把可能性放在一边,集中精力看一看将要发生的事情吧。

事情将会……很“有趣”。首先,我们依旧无法直接观测到它的靠近。来自它的霍金辐射很微弱,它的温度和周围的宇宙很接近(远远低于零度),因此它也不会发射出任何可以观察到的光线。不过,我们完全可以通过间接手段发现它。当它靠近时,我们能够感到强烈的潮汐力。这个黑洞个头很小——大约有半英寸宽,弹球那么大——但是质量却和地球不相上下;虽然远道而来,但是引力却和地球一样大。受其影响,月球很有可能会被强行“弹出”绕地运行的轨道。如果事情凑巧,月球相对于地球的速度可能会迅速下降,最终像一块巨大的石头一样垂直砸向地球。如果月球真的撞来,我们可能就无暇顾及黑洞了。撞击释放的能量会把地球表面蒸发掉,杀死地球上的所有生命直到撞到地核。

虽然这个场景很“过瘾”,我们还是想看看黑洞在其中扮演了什么角色,因此让我们假设月亮被弹出去了。当黑洞靠近地球时,会发生什么呢?

当它与地球的距离和月球与地球之间的距离一样时,也就是24万英里时,黑洞的潮汐力相当大,是月球潮汐力的8倍。当它再靠近,潮汐力会不断加强,引发地震和洪水。

最终,黑洞进入我们的大气层。当它在地球表面上方,比如1英里的地方时,破坏力是难以想象的。仅仅是引力就很吓人:向上的引力是地球引力的16倍!看到黑洞入侵的人们(半个地球)会被拎起来,像龙卷风中的树叶一样被卷进去。

当它穿过大气层时还会吞下大部分气体,形成一个吸积盘并射出高能射线。伴随而来的是一股剧烈的震荡波,像是引爆了一个核弹,产生超强的摧毁力(其实已经没有什么可摧毁的了)。

当黑洞到达距离地球表面一英里的位置时,那些仍然坚持着站在原地的人们(只是假设)会感到相当于地球引力4万倍的潮汐力在撕扯自己。“意大利面化”是在所难免的了。地球表面上的任何东西都将被撕碎。

当黑洞撞到地球实体部分后不久,吸积的速率增加,地球迅速升温。甚至有可能引发一场爆炸……不过这时讨论这个问题已经毫无意义了。

对于密度极高的黑洞来说,地球基本上相当于真空。它可以非常顺畅地穿过地球,超强的潮汐力会毫无顾忌地破坏挡在路上的任何东西。

从某种意义上来说,这实在太可惜了。我们错过了真正惊险的部分。

密度极高的黑洞有可能会在地球内部绕着地心运转。当它经过时,即使再小的石块也能在与黑洞亲密接触时感到引力的巨大变化。潮汐力会把岩石分解为小片,剧烈加热,然后蒸发。深陷地球的黑洞会被一个温度极高、压力极大的球包围,很像太阳内核的感觉。在这个球的中心,黑洞贪婪地吞噬着物质。在穿越地球的过程中,它就像是一个“喷灯”,把它周围的物质加热并以此为食。

虽然黑洞不大,但是在它穿越地球时形成的“蒸汽晕圈”,也足以与周围固态或液态的岩体产生摩擦力。这个摩擦力会阻碍黑洞前进,减慢它在地球中穿行的速度。黑洞会“打着旋”落入地球的内核。在这里,外围的物质会为它提供源源不断的食物……它最终会吃掉地球。

整个地球。

什么也不会剩下……除了黑洞自己。

当然,这时我们早就不在了。但是对于一个处在地球之外的观察者来说,这个过程虽然持续时间不长——从黑洞最初接触到地球算起,也就几十天吧——但是却很壮观。原本魁梧的行星仅剩下几米宽,且呈白热状。一毫秒过后,仅存的部分最终也会落入黑洞的吸积盘。在吸收了来自黑洞视界附近的巨大能量后,被加热到数百万度的地球可能会向外爆发。当碎片被清理干净后,什么也看不到了,只有一个稍微大了一些的黑洞,在饱餐了一顿后,开始平静地绕着太阳运转。