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黑洞是空間中的一個區域,體積非常之小,質量非常之大,以至於存在一個事件視界:在這個區域內,沒有任何東西,甚至是光,都無法逃脫。然而,這並不一定意味著黑洞吸收物質,它們只是吸引了這些物質。
黑洞是整個宇宙中最奇怪、最奇妙的天體之一。由於大量物質集中在極小的體積中,它們不可避免地塌陷成奇點,周圍環繞著任何東西都無法逃脫的事件視界。這些是整個宇宙中密度最大的物體。當任何東西離一個太近時,來自黑洞的力就會將它撕裂;當任何物質、反物質或輻射穿過事件視界時,它就會下降到中心奇點,使黑洞生長並增加其質量。
關於黑洞的這些性質都是真的。但有一個相關的想法是絕對虛構的:黑洞將周圍的物質吸進其中。這與事實相去甚遠,而且完全歪曲了引力是如何工作的。
在原則上和實踐中,有許多不同的方法來形成一個黑洞。一個大質量的恒星變成超新星,在那里中心核心內爆並形成一個黑洞。你可以看到兩顆中子星合併,如果它們超過一個特定的質量閾值,就會形成一個新形成的黑洞。或者,你可以收集大量的物質,無論是超大質量恒星,還是收縮氣體的大質量雲,都能直接塌縮到黑洞。
在一個足夠集中的空間里,有足夠的質量,一個事件視界就會圍繞著它形成。在事件視界之外,你仍可以以光速離開黑洞。然而,如果你位於事件視界內,那麼即使以極限宇宙速度極限移動,你所能走的任何路徑都將引導你走向中心奇點。在黑洞的視界內是無法逃脫的。
一旦你越過臨界點形成一個黑洞,事件視界內的所有東西都會收縮成一個奇點,最多也就是一維的奇點。任何三維結構都不能存活下來。
然而,對於黑洞外的物體來說,仍然有很多麻煩。因為黑洞是如此巨大的物體,當你接近黑洞時,你就會感受到巨大的潮汐力。你可能最熟悉月球的潮汐力,以及它與地球的相互作用。
當然,平均來說,你可以把月球看作一個點質量,把地球看作一個點質量,相隔380,000公里左右的相對較大的距離。但實際上,地球不是一個點,而是一個物體,占據了一個真實的,給定的體積。地球的部分地區將比其他地區離月球更近,部分地區將離月球更遠。距離較近的部分會受到更大的引力,而距離較遠的部分則會受到較少的引力。
從物理物體表面的任何地方,都會有一個力把它拉向外部引力質量的方向。沿該物體的不同點將受到略有不同的力,從而產生淨潮汐力:單個點上的力與整個物體上的平均淨力之間的差異。
但這不僅僅是因為地球上的一些地方離月球更近,部分地方離月球更遠。像所有的物理物體一樣,地球是三維的,這意味著相對於位於中間的部分,地球的「頂部」和「底部」區域(從月球的觀點來看)將向內拉向地球中心。
總之,如果我們減去地球上每一個點所經歷的平均力,我們就可以看到表面上的所有點是如何感受到來自月球的不同外力的。這些力線描繪出物體所經歷的相對力,並解釋為什麼經歷潮汐的物體沿著力的方向拉伸並且垂直於力的方向被壓縮。
物體中心的力將等於平均的淨力,而遠離中心的不同點將經歷不同的淨力。這會產生一種「導致了「義大利面條」效應。
你越接近一個巨大的物體,這些潮汐力就會變得越大;潮汐力變得比引力還要快!因為黑洞既是極其巨大的,也是極其緊湊的,它們產生了宇宙中已知最大的潮汐力。這就是為什麼,當你接近黑洞時,你會發現自己變得「面條化」(伸展成一個薄薄的,類似面條的形狀)。
基於這一點,很容易理解為什麼你會期待黑洞把你吸進去:離黑洞越近,引力的吸引力就越強,潮汐力把你撕開的力量也就越強。
一顆類似太陽的恒星在接近黑洞時被潮汐擾動撕裂(想像圖)。對於大型強子對撞機製造的黑洞來說,這些力是無關緊要的,因為它們非常小,但是對於像我們星系中心的那種黑洞,靠近事件視界的潮汐力可能是巨大的。
盡管如此,你會被吸進黑洞的想法仍然是一種誤解,而且在這方面還是一件令人難以置信的事情。構成受黑洞影響的物體的每一個粒子仍然受相同的物理定律的約束,包括廣義相對論產生的時空的引力曲率。
雖然空間的結構確實是由質量的存在而彎曲的,而黑洞提供了宇宙中任何地方質量的最大集中度,但質量的密度對於空間是如何彎曲的也是真實的,這一點也是正確的。如果你用同樣質量的白矮星、中子星或黑洞來代替太陽,地球上的引力也不會有什麼不同。是總質量使你周圍的空間彎曲,密度實際上與它無關。
從遠處看,黑洞就像宇宙中的任何其他質量一樣。只有當你非常接近–在幾個史瓦西半徑範圍內–你才開始注意到牛頓引力的偏離。然而,黑洞只是作為一個吸引子,接近它的物體將產生與正常情況相同的軌道:一個圓,橢圓,拋物線或雙曲線。
由於潮汐力,接近的物體可能會被撕裂,而且由於黑洞周圍以吸積盤的形式存在的物質,可能會有額外的影響:磁場、摩擦和加熱。考慮到這些額外的相互作用,有些物質很可能會被減慢並最終被黑洞吞沒,但絕大多數物質仍然會逃脫。
事實上,黑洞並沒有吸收任何東西;黑洞所施加的力並不是普通物體(如月球、行星或恒星)所不能施加的。歸根結底,一切只是引力。最大的區別是黑洞的密度比大多數物體都高,所占的空間要小得多,而且比其他任何單個物體都要大得多。土星正沿著我們的太陽運行,但如果你用銀河系中心的黑洞取代太陽,潮汐力將足夠強大,足以將土星分裂成一個巨大的環,在那里它將成為黑洞吸積盤的一部分。在所有物質產生的引力、電場和磁場的作用下,只要有足夠的摩擦、加熱和加速度,最終它會落入內部並被吞噬。
黑洞似乎只能吸收物質,因為它們是如此巨大,潮汐力量和黑洞周圍已經存在的物質的結合可以將外部物體撕裂,在那里,一小部分被撕開的粒子將經歷足夠的阻力,被引入吸積盤並最終進入黑洞本身。但黑洞是個凌亂的食客,絕大多數經過黑洞附近的物質都會以某種形式被吐出來。只有掉在事件視界內的那一小部分才會使它生長。
如果我們用一個等效質量的黑洞代替宇宙中的每個質量,並除去所有摩擦材料(如吸積盤),那麼幾乎沒有什麼東西會被吸進去。粒子唯一會遇到的摩擦是由於它在黑洞產生的彎曲時空中運動時發出的引力輻射。由於愛因斯坦理論本身的行為,只有在稱之為「最內部穩定圓軌道(ISCO)的內部」才會不可避免地被「吸」進去。與我們物理現實中實際進入事件視界的情況相比,這些影響是可以忽略不計的。
到頭來,我們只有引力和彎曲的時空,這些質量的存在將會產生這樣的結果。黑洞吸收任何東西的想法是關於它們的最大的虛構。它們是由於引力而生長的,僅此而已。