孩子问「人掉进黑洞会怎样?」如何回答?如何通俗易懂地向孩子解释黑洞?

孩子问「人掉进黑洞会怎样?」如何回答?如何通俗易懂地向孩子解释黑洞?

太空僧,2022年新知答主|航天及天文优秀答主

这取决于黑洞的质量。你应该祈祷掉进的是一个质量更大的黑洞[1]

如果人掉进黑洞里,会怎么样?

注:尽量不出现难懂术语,完全没有公式,知识点放在括号和注释中,不看也不影响阅读。

首先要说明一点,黑洞不是宇宙中的“清道夫”[2]或“贪吃蛇”,它并不会到处游走并吞噬一切。它只不过是一个恒星在它原有的位置上被压缩了。只要离它足够远就能避开它的毁灭性影响,就像地球在绕太阳自转时不会落入太阳并被撕裂一样。

假设一个人--就用“你”来表示吧--你决定主动为科学献身,前往一个大质量黑洞(不带电不自旋转的史瓦西黑洞)。你会怎么样呢?

知识铺垫:潮汐力

我们假设你是双脚向下跳向一个一个小型黑洞(几倍太阳质量)吧。你会发现,你的脚受到的拉力会远大于头部,巨大的引力差会把你像拉面一样越拉越长(左右越挤越瘦),这种力被称为“潮汐力”。(和月球引力引发大海的潮汐是同一个道理)。

2019年1月,TESS望远镜捕捉到一个太阳大的恒星被黑洞撕碎(示意图)

黑洞的恐怖潮汐力会让你在到达黑黑的圆(视界)很久之前就被拉扯成肉丝了。

这还没完。肉丝会碎片会在引力作用下不断碰撞摩擦,从而变得很烫,没过多久就火化了,最终会变成一股流入黑洞的亚原子粒子流。如果体重较大,可能会有机会以X射线的形式辐射出来。

直到这时,你在掉进黑洞之前,还是看不到黑洞(事件视界内)里的任何东西,就是黑黑的圆。

如何One Piece 地进入黑洞?

那这样看来有点没劲啊。有没有可能真的作为“一个完整的人”进入黑洞啊?

有的。与我们的直觉相反,黑洞的质量越大,黑洞内外分界线上(下面就简称为“视界”吧,懒得打字了)的潮汐力越小。十倍太阳质量的黑洞能直接把人在外围撕碎,但一百万倍太阳质量的黑洞(比如最近拍照的那个银河系中心的黑洞)就有可能会让你完整地进入黑洞。

潮汐应力与黑洞的质量成正比,与史瓦西半径的立方成反比(立方很要命)。对于一个8倍太阳质量的黑洞,史瓦西半径为24公里,能致命的潮汐力半径约为400公里。

当你到达这个更大的黑洞的视界附近时,从你的角度来看并没有什么不同,没有一个看得见摸得着的边界线。只是周围的星空变得有些扭曲变形,没有什么不适感。

但一旦你进入了视界,就注定要出不来了,谁也帮不了你了。

在你越过视界时,你仍可能有几秒钟可以观察周围,如果你能向“前”看黑洞,你就会看到过去掉进黑洞里的物体;如果你回头看,你能看到那些未来将掉进黑洞的东西。在你被撕碎前的极短时间内,你将同时看到宇宙中那个地方的整个历史[3],从过去一直到未来。

应评论备注:你所看到的未来有多少取决于你接近事件视界的速度有多慢。在你被吸入时,如果你能动用飞船的全部能量“挣扎”得越久,你就越能见证外部宇宙的未来。

然后你会感到快速增加的巨大潮汐力把你(和你的宇宙飞船)一起拉成粗面、三细、毛细。你可能最终会到达奇点(如果相对论的预测是正确的话,它是一个很小很小的一个很重很重的点状物),但奇点是怎么样子的,相对论有一套说法,量子理论却认为奇点根本不应该存在,目前所有的物理学知识都是不完整的,还在吵来吵去,无法统一。

黑洞深处是什么样的,无人知晓。有可能是通向其它宇宙的大门,有可能可以时间旅行,谁都不知道。

引力是自然界所有力量中最弱的,但黑洞却用这种最弱的力变得异常强大,没有任何东西能对抗它。

会花很长时间掉进去吗?

在黑洞附近讨论“时间”是件很麻烦的事。

在你到达事件视界之前,甚至直到你达到奇点之前,你经历的时间,既是有限的,又是无限的。取决于是谁在看。

当你掉进黑洞时,你看着你的手表,一切正常,手表在嘀嗒嘀嗒的正常走着。没花多少时间就进入黑洞了。但从很远的地方目睹你跳入黑洞的人来看,你跳进去的速度会越来越慢,像放一个慢镜头的电影,你手上的表的秒针也会跳得越来越慢,越来越慢(红移),你的皮肤会从黄色变成红色并越来越暗。最终在你快到视界时,你慢到像是停止在视界的表面不动了(他们永远不会看到你掉进黑洞时看到的时间)。你和黑洞外的人的时间是不同步的。

而在事件视界内,时间更像是一个空间上的方向,离奇点越近的地方是未来,离奇点越远的地方就是过去。

旅行小贴士 之 一些补充说明

以上都是理想状况。我们在宇宙中观察到的大多数黑洞周围都有一圈非常热的物质,像盘子或者土星环一样,它们被称为吸积盘。它们会让进入黑洞的旅行变得极其危险。

所以要安全地进入一个黑洞,你需要找到一个完全被孤立隔离的超大质量黑洞,周围已经没什么行星啊碎片啊什么的可以吸了。

以上所有假设都是基于计算,它们在数学上是可能的,但并不意味着实际上是这样。所以请记住:你读到的任何东西都是可能的,但不一定是正确的。

记住,科学家还有很多事情没搞清楚,需要一代又一代的人去研究,去发现。而在这所有未知的物理理论研究中,黑洞的研究又是相当重要的一环,因为引力基本上是唯一可以在宏观尺寸上发挥作用的力,是决定着我们这个宇宙和最终命运的关键,目前爱因斯坦的相对论与量子相关理论对黑洞奇点的解释是相冲突的,是否有那么一天,我们将有能力研究清楚黑洞,那么人类有可能揭示时空的本质,星际旅行将变为可以触碰的现实。

科学正进入青春期,未来还有更远的路要走。