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使用低速航天的办法能离开黑洞么?

在上一篇文章《达不到地球逃逸速度,我们就无法离开地球了么?》里,我跟大家解释了一个星球光靠引力是困不住文明的,一个星球的逃逸速度只不过是在没有后续燃料推动的情况下,能够逃离星球引力束缚的最小初始速度。如果我们在后续的过程中还能持续的给物体提供动力,那么别说逃逸速度,就算是用蚂蚁的速度也能慢慢离开星球。这种方式我们称之为低速航天。

在文章的末尾我给大家留了一个彩蛋,我说低速航天也并不是万能的,起码在碰到黑洞的时候会遇到一些问题。

我们都知道黑洞是一个连光都能把它吸进去的东西,然后有很多人觉得光之所以不能离开黑洞是因为它的速度太慢,如果我的速度能够再快一点,比如达到光速的2倍就说不定可以从里面逃离出来。但是,根据相对论,光速偏偏又是所有物体运动速度的上限,所以就没机会了。

这样想很自然,结论也没错,但是这种想法是不太对的。你想想,如果黑洞真的仅仅是只靠引力束缚住你,你是因为速度太慢而无法逃离(恰巧光速是上限),那么我们回顾一下我们上篇所说的低速航天:如果真的只是因为引力,那么我在黑洞里面如果有一个有巨大动力的飞船,我让飞船燃烧燃料客服黑洞的引力,一点一点的龟速往外爬,那是不是就能爬出去了

关于潮汐力

有些同学肯定立马条件反射说你的假设不成立,你怎么能进到黑洞里面去呢?你还在靠近黑洞的时候就被黑洞巨大的潮汐力给撕成意大利面条了。

没错,潮汐力也是我对黑洞的第一恐怖印象,我忘了是不是高中的时候在霍金的《时间简史》里看的,反正这种恐怖的印象让我很长一段时间内都觉得黑洞是无法接近的,任何人试图接近黑洞都是找死。

鉴于有些同学可能还不是理解黑洞的这个恐怖的潮汐力,我就简单的说两句:黑洞因为密度极大,所以在黑洞周围形成了非常强大的引力场,我们都知道引力这个东西是距离黑洞越近越大。而我们人(或者飞船)是有长度的,可能你的头距离黑洞近一些脚距离黑洞远一些(或者相反),那么我的头部和脚部受到黑洞的引力就会不一样,考虑到黑洞的引力场太强,所以你头部和脚部受到的黑洞引力差将会非常大,这就像一个怪物在用巨大的力撕拉你的身体,人会立马被撕得跟意大利面条一样。越靠近黑洞这个引力差就越大,最后会把人的器官、组织、细胞全都撕碎,变成一堆分子原子…

是不是想起来就打寒颤?这就是恐怖的黑洞潮汐力。

大质量黑洞

但是我们忽略了一点:潮汐力的大小是取决于引力场变化的大小,在一个小黑洞里这种引力场变化很大,潮汐力很大,但是如果这个黑洞很大呢?如果是一个非常大非常大的黑洞,比如像《星际穿越》里那种大概相当于一亿个太阳大小的黑洞,那么它的引力场覆盖范围就会非常广,引力场变化的就会相对平稳,这样这个潮汐力就不会太大,所以就给了人靠近黑洞的机会。

我再啰嗦一句,星际穿越》的科学指导叫索恩,他是2017年诺贝尔物理学奖的获得者,发现了引力波的就是他们。所以,《星际穿越》这部电影不像一般的科幻,它不会犯一些简单低级的科学错误,如果你觉得里面有些什么现象跟你的固有经验相冲突,你最好先去查查是不是还有什么东西是自己不知道的~

有些人看到《星际穿越》里的主人公靠近黑洞的时候没有被潮汐力撕碎觉得奇怪,有些人觉得进入黑洞之后居然没有死亡还能活动这不靠谱。前者是因为这个黑洞质量非常大,潮汐力就很小,后者是因为他们选择的黑洞模型是克尔黑洞,而不是我们平常说的史瓦西黑洞

黑洞模型有很多种,对它们的研究也都还很初级,里面还有太多奥秘我们没法了解。霍金的一生几乎都在研究黑洞,他也是因为研究黑洞而出名。对黑洞的研究既需要量子力学,又需要广义相对论,或许,解开相对论和量子力学不协调的关键钥匙,就藏在黑洞里~

物体无法离开黑洞的真正原因

再回到正题,上面我简单的说了一些黑洞的事,主要就是想告诉大家:完整的进入黑洞还是有可能的,那么我们假设黑洞里有一艘飞船是可行的。但是,我们的常识都告诉我们,黑洞视界里任何东西都出不来,包括光,那为什么我们无法通过低速航天的办法来逃离黑洞呢?我的飞船有足够的动力,我对准黑洞外面一直匀速走为什么就出不去呢?

没错,你可以一直匀速往外走,但是你就是出不去,为什么?因为找不到出路!

重要的事情说三遍:找不到出路,找不到出路,找不到出路!!!

找不到出路是什么意思?大家看黑洞的时候别一直盯着他的引力看,我们看一看引力的本质:时空弯曲。

我请大家想一想,我们看到光线弯曲,其实它自己并不觉得弯曲,光一直都在“直线”往前飞,只是因为空间本身被弯曲了,所以它走的路径才看起来像是弯曲了。爱因斯坦也早就说了,我们看到物体围着星球做圆周运动,其实他们只是在弯曲的空间里自由的做这惯性运动,我们在平直的时空里觉得直线最短,但是在一个弯曲的时空里,那种弯曲的线就是最短的了。

既然光一直在弯曲的时空里做“惯性”运动,那么它一直围着黑洞转这又是怎么个图景呢?没错,就是光一直往前飞,但是它找不到出路,它飞着飞着就又回到自己的原点了。

所以,黑洞困住物体的真正原因是:黑洞使得时空严重的弯曲,结果让这一片时空弯曲得闭合起来了。然后黑洞里面的物体就根本找不到通往外部空间的路,它不管怎么走都是一直在黑洞里转圈圈……

宇宙是否是一个大黑洞?

以前我也给大家讲过,宇宙也有这样的特性:我们一直沿着宇宙的一个方向前进,最终我们会回到原点。以前觉得这个事情很难理解,后来想想黑洞就觉得好理解了。

然后,我就有了一个比较大胆的想法(这个纯粹是个人脑洞,不属于科普的内容):我在想我们的宇宙跟黑洞到底有什么关系?会不会我们生活的宇宙它本身就是一个巨大的黑洞,这个黑洞刚好把宇宙这么大的空间给扭曲闭合了。经常有人问宇宙之外是什么,会不会我们宇宙外面依然是一个巨大的黑洞?

相对论给我的一个重要启发就是:一切平等,没有特殊。没有特殊的参考系,地球不特殊,太阳系不特殊,银河系不特殊,那么凭什么我们的宇宙就是这么特殊的一个如果物理定律在各种地方都是有效的,那么我们在研究黑洞的时候或许就是在研究我们宇宙本身。

宇宙大爆炸的时候有一个奇点,黑洞里面也有一个奇点,但是我们对奇点一无所知,因为广义相对论在奇点处失效了。有许多人不是经常在找相对论失效的地方么?我现在就告诉你相对论在奇点处是失效的,没用的,因为根据广义相对论的计算,在宇宙和黑洞的奇点处会出现无穷大的量,这种无穷大的量在物理上是没有意义的(但是没人会因为相对论在奇点处失效而说相对论是错误的)。

要解开奇点的秘密,相对论铁定要被修正。黑洞和宇宙之间是否真的存在某种关联,我们生活的宇宙到底是不是只是一个普通的黑洞,这些就要靠未来的研究了。

如果我的读者里有人对这些感兴趣(特别是小学生中学生,少年时期的纯粹兴趣可以转化成最强大的推动力),可以试着这样去思考一下,爱因斯坦在16岁的时候通过思考“如果我以光速追一束光会看到什么?”发现了狭义相对论,没准你能通过对奇点-黑洞-宇宙的思考修正相对论,发现更深刻的理论呢~

如果我的这些想法能够激活一些少年研究宇宙的兴趣和方向,那就阿弥陀佛了~

祝好运~

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