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黑洞|如果地球瞬间变为黑洞

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作者：Ethan Siegel
翻译：毛明远
校对：牧夫天文校对群
后台：库特莉亚芙卡 李子琦
源自：福布斯宇宙大爆炸专栏
黑洞|如果地球瞬间变为黑洞
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如果地球和观测者之间有一个黑洞 ， 我们将会看到引力透镜下的图示景象 。
Credit：ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSITY OF COLORADO
如果仅剩下引力作用 ， 物质将坍塌为“黑洞” 。 100多年前 ， 在爱因斯坦提出广义相对论后 ， 科学家基于爱因斯坦的场方程在数学层面推导提出“黑洞” ， 之后经过一代代科学家不断的研究 ， 越来越多的观测证据让黑洞从理论推测模型成为现实存在 。 近期 ， 罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）因为黑洞的研究获得了2020年诺贝尔物理学奖 ， 他甚至阐述了黑洞是如何形成的 。
事实上 ， 不需要假设仅存在引力作用这样的极端条件 ， 只要引力作用持续主导 ， 当物质坍塌达到质量和空间的阈值 ， 就会形成事件视界 。 黑洞的进程就会持续下去 ， 物质不断越过事件视界 ， 进入到中间的奇点 。
黑洞|如果地球瞬间变为黑洞
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不管是何种物质 ， 如果假定初始是静态的 ， 没有引力外的作用（或引力持续主导下） ， 都会坍塌为黑洞 。 这也是为什么静态的、不膨胀的宇宙违背了爱因斯坦相对论 。
Credit：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY
之所以地球没有在引力作用下收缩至物质坍塌 ， 是因为原子间的斥力 ， 更准确些是原子外围的电子 。 可不要小看这种电磁力 ， 两个电子的斥力比引力强10的42次方 。 在质量足够大的恒星内核 ， 不管是电磁力还是泡利不相容原则的核外电子分布规则都不足以抵抗引力作用收缩 ， 如果恒星内核核聚变的辐射压降低至一个关键阈值 ， 恒星将坍缩为黑洞 。
当然我们地球不可能出现上述情况 ， 但我们可以做一个思维实验 ， 假设维系我们地球物质的电磁力和量子力消失了 ， 地球瞬间变为黑洞 ， 那将会怎样？
黑洞|如果地球瞬间变为黑洞
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彭罗斯的黑洞物理理论较好地阐述了：大质量恒星坍缩形成事件视界 ， 它的所有物质无法避免地跨越后融入中心奇点 。
Credit：NOBEL MEDIA, THE NOBEL COMMITTEE FOR PHYSICS; ANNOTATIONS BY E. SIEGEL
首先 ， 构成地球的物质将立刻向地心做自由落体加速运动 。 中心的质量在积累 ， 体积同时收缩 ， 密度越来越大 。 仅仅几分钟 ， 超乎想象的大量物质坠入地球的质心 ， 估计10到20分钟后足够量的物质将在质心周围几毫米的地方形成事件视界 。 坍塌继续进行 ， 整个过程的时间大约21-22分钟 。 最后 ， 地球完全坍塌为一个直径为1.75厘米的黑洞 。
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彭罗斯较好地解释了恒星物质坍缩成黑洞 ， 时空的变化 ， 成为广义相对论下的金标准 。
Credit：JOHAN JARNESTAD/THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES
与此同时 ， 地球上的人们会怎样？不管你相信与否 ， 在物理故事中我们把这个情形类比于将地球替换成一个相当于地球质量的黑洞 。 这种类比场景的区别是：如果是后者 ， 我们向脚下望去 ， 这个“小黑洞”将显著地扭曲时空 ， 下坠中的我们将看到明显的引力透镜效应 。 如果是前者 ， 过程中地球的物质仍然发射光或反射环境光 ， 它们是不通透的 ， 下坠中的我们可以一直看到它 。 不管怎样 ， 首先发生的是从“静止”态开始的转变 ， 这个“静止”态指地面支撑我们的力量与引力作用的平衡 ， 这个引力作用可以用9.8米每秒平方来衡量 。
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1960年美国空军上校约瑟夫·基廷格（Colonel Joseph Kittinger）从3万米高空跳下 ， 重力加速度9.8米每秒平方 ， 但因为空气阻力 ， 大约几秒种后坠落速度就达到极限 。
Credit：(U.S. Air Force/NASA/Corbis via Getty Images) CORBIS VIA GETTY IMAGES
我们向地球质心坠落时的感受很奇怪 ， 不同于从飞机上跳下的自由落体运动 。
-我们不会感觉到气流 ， 因为大气也在同样加速度下坠落；
-没有任何阻力 ， 我们将不停地不停地加速下去！
-那种坐过山车的高处坠落的揪心感将持续伴随着我们；
-我们将体会到像在国际空间站中完全的失重感 ， 但并不能直接感受到自己坠落的惊人速度 。
还有就是 ， 不仅我们坠落的速度越来越快 ， 越靠近中心奇点加速度也在增加 。
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对于史瓦西黑洞（不旋转的）事件视界内外 ， 空间扭曲如同移动的通道或是瀑布 ， 这依赖于如何将它可视化 。 达到事件视界 ， 即使我们试图以光速逃离它 ， 我们依然会继续坠入奇点 。 但如果是在事件视界外 ， 仍然会发生坠落物质的逃逸 。
Credit：ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSITY OF COLORADO
正如下图所示 ， 越靠近中心奇点我们的坠落速度越快 。 当我们距离事件视界还较远时 ， 根据牛顿万有引力可以推算出 ， 距离每减少一半重力加速度提升4倍 。 当我们距离事件视界较近时 ， 爱因斯坦的相对论理论越来越突出 ， 加速度的提升更加显著 。
我们将坠落的初始作为起点：
-当坠落到一半时 ， 也就是3187公里时 ， 我们的速度是11公里/秒；
-当坠落到90%时 ， 距离质心仅637公里 ， 我们的速度是34公里/秒；
-当坠落到99%时 ， 距离质心仅64公里 ， 我们的速度是112公里/秒；
-当我们距离质心仅1公里远时 ， 我们的速度是895公里/秒 。
假设我们还有一毫秒就到达时间视界 ， 但我们永远无法体验到达那里的感觉 。
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潮汐力示意图：假设右侧是一个强引力源 ， 一个球形物体表面各个部位的潮汐力作用方向 。
Credit：KRISHNAVEDALA / WIKIMEDIA COMMONS
因为当我们越来越靠近质心 ， 巨大的潮汐力越来越强 。 潮汐力顾名思义 ， 我们会想到月球 ， 确实是类似的物理作用 。 我们身体的每一处都承受着这种力量 。 对于一个如月球这样的球体 ， 近处承受的引力大 ， 远处承受的引力小 ， 并且两侧承受的引力并不是平行的 ， 而是指向质心 。 即径向方向呈现拉伸作用 ， 垂直与径向方向呈现压缩作用 。 地球上的人们承受的潮汐力微乎及微 ， 小于1毫牛顿 ， 大约与一个小耳环受到的引力相当 。 但当我们在这个思维实验中坠落 ， 距离每减少一半 ， 潮汐力增大8倍 。
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潮汐力示意图
Credit：VITOLD MURATOV / CC-BY-S.A.-3.0
当我们坠落到99%时 ， 潮汐力拉扯着我们的脚和头部 ， 想要脱离我们的躯干 ， 我们会承受着相当50公斤重量的力 。 我们的承受力有多强？我们将地球的重力加速度表示为1g ， 也就是我们在地球表面承受着的引力作用 。 人类所能够承受的g值并不高 ， 并且与作用时间相关 。
-过山车可以达到5-6g ， 但持续峰值持续时间很短；
-训练有素的飞行员可以承受12-14g ， 但必须身穿加压服 ， 否则同样可能会神志不清；
-哪怕持续时间小于1秒 ， 人类所能够承受的极限大约40-70g ， 这个强度下人类已经会发生创伤甚至死亡 。
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当靠近事件视界 ， 巨大的潮汐力径向拉伸 ， 垂直于径向则压缩 ， 物体将被整成“意大利面”状 。
Credit：NASA / PUBLIC DOMAIN / COSMOCURIO OF WIKIMEDIA COMMONS
当我们坠落到距离质心25公里时 ， 我们的脊柱将分离 。 当距离为14公里时 ， 我们的关节处将脱位 。 为了避免被潮汐力撕碎 ， 我们只能想办法变的更小 ， 比如散成细胞、乃至分子、甚至原子 。 如果太靠近事件视界 ， 空间被严重扭曲 ， 物体都经受不住这样的潮汐力 ， 我们将被原子化 ， 最终越过事件视界 ， 我们成为黑洞的一部分 。
『天文湿刻』 牧夫出品
微信公众号：astronomycn
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宇宙飞船二号的座舱
Credit：维京银河公司
【黑洞|如果地球瞬间变为黑洞】谢谢阅读


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