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黑洞救援,飞跃史瓦西半径

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发表于 2019-12-22 13:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
黑洞救援,飞跃史瓦西半径[color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]

[color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]From: [color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]量子君
量子学派
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                  ——这个半径画的圆,就是死亡禁地


如果你掉进了黑洞…

《火星救援》中,宇航员马克孤身一人在飞船损毁、补给不足、环境恶劣的情况下,凭借着科学知识、应变技巧和顽强毅力,最终等到了救援团队。

如果马克陷入的是黑洞而不是火星,他还能被顺利救出来吗?


                               
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大部分人首先想到的是:马克掉进黑洞后会马上被压扁,或是被扯成碎片,大脑已经找不到大脚趾的位置,连遗言都没时间写,还想等救援,做梦吧?

事实与我们想象中的一样吗?马克的结局可能没那么可怕,但境遇比想象中还要复杂和离奇

当马克掉入黑洞时,可能会遭遇以下几种不同的可能

❶穿越视界时被超高温焚烧殆尽,放射出粒子流
❷掉入黑洞时被强大的引力撕得粉碎;
❸毫发无伤地到了另外一个新世界虫洞理论);
永远地坠落下去,途中无风无浪、十分顺利,更没有遇到像是拉伸减速灼热的宇宙辐射这种情况,甚至连重力都感受不到(爱因斯坦称这种情况为“幸运的假想”)。

为什么会出现以上的种种情况呢?马克在掉入黑洞时到底发生了什么?我们得先了解下黑洞的起源和演化



黑洞的胚胎:一切来源于恒星

知己知彼,百战不殆。

在拯救大兵马克前,我们首先要搞清楚黑洞到底是个什么怪胎。黑洞的前身曾经是一颗光芒四射的恒星,它温暖而阳光,曾经给宇宙带来过百亿年的光亮,然而,它是宇宙歌剧中的大反派,最后“黑化”成大BOSS,它的前半生越是绚丽灿烂,它的后半生越是暗黑可怖

当然,就算是反派,反派主角也只有一个,并不是每个恒星最终都可以成为黑洞,经过广义相对论模型的数学演算,恒星命运基本如下:

❶小于0.4个太阳质量的恒星,耗尽核心的氢之后,不会产生大的变化,最后变成红矮星
❷在0.4-3.4个太阳质量之间的恒星,当核心的氢耗尽之后产生坍缩,内核会形成小而密的白矮星
超过3.4个太阳质量的大恒星,最终的结局是爆炸产生超新星

                               
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咦?你说了这么多,黑洞,黑洞呢?
别急别急,反派主角是要压轴出场的



黑洞的诞生:绚丽之后的沉寂

黑洞来源于以上1.3条。

超过3.4个太阳质量的大恒星爆炸产生超新星时,这是恒星一生中的高光时刻——向直径930亿光年的宇宙展示它的存在。然而,这只是最后的喧嚣,在绚丽之后终归沉寂,以下是超新星爆发后的变化:

❶有些超新星会完全解体,化为一片宇宙尘埃,最终结束自己波澜壮阔的一生;
❷成为一颗核心部分超高密度的白矮星,如果这颗白矮星的质量超过1.44倍的太阳质量,就会继续坍缩,形成中子星
❸接下来是高潮了:如果这颗中子星的质量大于3.2倍太阳质量的话,那么它还会接着向内坍缩,直到中子被压碎,最后形成黑洞


                               
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这就是黑洞,它来源于大质量恒星“不如归去”的纵情高歌,它来自于超红巨星转变为“超新星”时的激情宣泄。   

除此之外,黑洞的诞生也可以来源于一场宇宙的“交通事故”:当两颗恒星狭路相逢、大打出手的时候,往往会诞生星系级的巨大黑洞。



黑洞不是黑的

无论是诞生于恒星熄火,还是宇宙车祸,黑洞终究失去了原本的闪耀光芒,也不像它的兄弟白矮星那样给人一种温敦矮胖的错觉——最终成了所有人避之不及的恐怖之源

黑洞把自己隐藏在宇宙深处,伪装成一团捉摸不透的漩涡,世人要借助专注于X射线伽马射线的望远镜才能从侧面观测到它的存在。

没有爱情和友情,黑洞用永不停息的进食来抚平心理创伤。它再也回忆不起曾经的众星捧日的辉煌岁月,除了总质量M总角动量J总电荷Q这基本的宇宙“三观”之外,所有的记忆都清零。但这并不代表黑洞就没有其它特征:

黑洞其实并不黑
黑洞之所以被称之为黑洞,是由于光无法逃逸出它的“魔掌”,所以表面上看是一片漆黑,但这不代表黑洞就是黑的。
黑洞可以是透明的
黑洞周围时空的变形非常大,恒星发出的光,只有一小部分会被吸收,另一部分光线会通过弯曲空间到达地球,导致在地球观察到的是背面的星空——这是黑洞的隐身术。马克掉进黑洞不是他大意,而是黑洞太狡猾!
黑洞很小很小,但又很大很大
体积很小很小,密度很大很大,如果你把巨大的质量塞入到一个非常小的体积内,就能制造出黑洞。举个例子,假设太阳的质量不变,如果要把它变成一个黑洞,那么它的半径就要缩小232,000倍到3千米。


                               
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黑洞引力等效
把太阳“挤压”成一个黑洞后,外部的引力效应并不会发生任何改变。也就是说,当地球人蒙上双眼,全然不会察觉太阳已经变成了黑洞。
黑洞有时很温柔
如果黑洞前身是一颗史诗级大恒星,它将温柔地盘踞在星系中,享受着恒星的拥簇和瞻仰,大家和谐相处。
在地球25000光年外,就静卧着一个直径长达2400万公里的巨型黑洞,黑洞的平均密度其实和水一样稀薄。小小的奇点,所能撑起的隐形衣却是如此硕大,足以使人类的常识失效。
黑洞性质不一,有很多种
黑客其实也有很多种:
史瓦西黑洞(不旋转、不带电荷):它的时空结构于1916年由史瓦西求出,也是宇宙中最常见的黑洞,非常危险。
R-N黑洞(不旋转、带电荷):被认为是“连接不同宇宙”的“虫洞”。
克尔黑洞(旋转、不带电):在宇宙中高速移动的“宇宙刺客”。
克尔-纽曼黑洞(旋转、带电的黑洞):像一个放大了无数倍的质子,它的奇点如果暴露,会撕扯时间和空间的所有物质
双星/超巨星黑洞:其实是一种天体结构,比如银河系的中心,就是一个超巨星黑洞,质量大约是太阳的400万倍。

                               
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不同坐标系下的“视界”真相?

有了以上的基本知识,我们回到最初的话题:《火星救援》的男主马克这次不幸掉入黑洞

拯救者是马克(Mark)的朋友墨菲。

墨菲在黑洞“视界”之外的安全范围内看着马克掉入黑洞。

在马克加速冲向视界过程中,墨菲先看到的是马克的身体开始拉伸扭曲,有点像梵高的画,马克越靠近视界,移动得越慢

马克可以用闪光灯来向墨菲发送摩斯密码,因为红移光波被拉伸得越来越慢:“我活着,我-活-着,我——活——着……”


                               
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当接近视界时,墨菲看到的马克就像是被人按下暂定键,定格不动了。

据墨菲所述,进入黑洞前,拉伸的空间、停止的时间和霍金辐射的火焰正在摧毁马克,情况紧急,必须马上救援。

但如果马克听到墨菲的描述,他一定会反对,因为他的经历和墨菲描述的完全不一样。据马克所述:马克飞向黑洞时,他向墨菲告知自己一直活着,途中无风无浪十分顺利,更没有遇到拉伸、减速或灼热的宇宙辐射

虽然马克说得轻松,但如果不拯救,最后的结果会怎样?

当马克真正坠入黑洞后,如果很幸运地遇到了一个大黑洞,马克很有可能正常地活着度过余生,直到在体积无限小时空曲率引力无限大、所有已知的物理定律都失效的引力奇点上死亡。但如果碰上史瓦西这样的恶性黑洞是他的不幸,因为脚部的重力是要比头部大得多,马克会被重力差给撕裂



拯救“黑洞囚徒”?

黑洞救援、这可是比“火星救援”要艰难百倍的地球大事件。

地球上的各大科学家开始集结,墨菲集齐牛顿莱布尼茨笛卡尔玻尔兹曼爱因斯坦玻尔狄拉克德布罗意休·埃弗雷特史瓦西图灵香农盖尔曼杨振宁霍金威藤哈勃等科学精英,准备一场世纪营救。

虽然有史无前例的精英团队,但面对的同样是前所未有的科学难题。

星空浩淼,神秘莫测。
万里之遥,步步惊心。
前不见求救信号,后不见人类呼声。
科学家只能各使手段,孤注一掷了。

❶莱布尼茨提出了“计算黑洞”这个解决方案,只可惜他们拥有的算力不够,最终失败;
❷史瓦西想要制造更强的引力场将黑洞摧毁,但“以毒攻毒”这个方案被大家否决;
❸狄拉克灵机一动,打算从反物质世界盗取能量转换成时间,但他违背了“外祖父悖论”;
❹德布罗意准备将黑洞先转化为波,再把波转化成实体形体,可惜黑洞“神龙见首不见尾”,他也宣告失败;
❺图灵想要制造一台宇宙计算机,让宇宙重启,但被认为有自己的阴谋;
❻休·埃弗雷特寻找多重宇宙的入口,自己却先迷失了方向;
❼威藤、杨振宁和盖尔曼将暗能量暗物质引入统一模型中,试图在将自然界的四种力统一,找出黑洞的性质,但迂回方案也被否决。
……

爱因斯坦指出:“黑洞内部空间和时间交换角色,拉着马克冲向引力奇点的是时间,而不是空间。就像不能返回到过去的时间里一样,马克也不可能在黑洞里转身并逃离。

霍金最后开口,“黑洞无法吞噬和消灭物理信息,马克掉入黑洞可以回来,只是回到的并非我们所在的宇宙…

黑洞凶猛,拯救方案持续失败。

不过也并非完全一无所获,通过科学家们的计算,发现马克所处的这个黑洞不旋转不带电荷,科学家认定这是宇宙里短小精悍、凶神恶煞的“史瓦西黑洞”。

                               
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要逃离这样的黑洞,方法就是“飞跃史瓦西半径”。

那该如何“飞跃史瓦西半径”,科学家们吵成一片,每个人都有自己的大理论,但谁也拿不出一个解决方案。

这时,坐在椅子上的霍金似乎想到什么,他举手发言道:“这样吵下去不是办法,我有一个新想法, 我觉得可以寻求外援,虽然这里都是优秀的科学家,但这些理论都是过去式,解决不了现在的问题,或者我们需要新理论、新思想。”

机敏的笛卡尔问:“你是不是心里有什么答案?”

霍金道:“地球上有许多小朋友在开展一个‘科学小会’活动,他们的主题正好是‘飞跃史瓦西半径’,可以请这些青少年给我们一些帮助……”

看到大家有点迷惑的样子,霍金抬高了声音,“我的女儿露西今年年初在中国深圳参加过第一届活动,在这个小会上,小孩子们提出了很多新奇的观点和理论,让人耳目一新,如何‘飞跃史瓦西半径’,他们也许能够给我们一点灵感。”

爱因斯坦非常不悦地站起来反对道:“你居然把希望寄托在一群小孩子身上?这可是黑洞救援,不是胡思乱想!”

史瓦西也附和着点了点头:“年青人懂什么?要是他们能解决这个问题,还要我们做什么呢?”

牛顿也表示让年青人解决这个问题简直是无稽之谈。

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图灵站起来支持霍金,他反驳道:“爱因斯坦先生,你12岁爱上了几何17岁自学微积分,谁敢轻视这个年青的爱因斯坦?史瓦西,你11岁就钻研天体力学,16岁时发表论文,你为什么瞧不上这个年青人?牛顿先生,你可是24岁就发现了万有引力…”

看到其他人都沉默了,霍金接过图灵的话:“我只是认为,小孩子能够给我们更多的想法,他们背负的东西更少,思想也更开阔,也许他们的灵光一闪,能给我们以启发。”

科学家们最后达成了共识,他们决定让牛顿、莱布尼茨、爱因斯坦和霍金去了解这个以“飞跃史瓦西半径”为主题的“科学小会”



科学小会:开拓宇宙大世界

2020年1月12日腾讯将和清华大学合作举办第二届腾讯青少年科学小会,主题“飞跃史瓦西半径”。


                               
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种下科学种子,点亮人类未来;
挣脱黑洞引力,飞越史瓦西半径。

这可不是一个小的会议,腾讯直接联手Science调研120万青少年,向全球青少年公布科学看点榜单,一向爱热闹的牛顿非常感兴趣 ,恨不得自己再年青几岁,也投上自己的一票。


                               
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(腾讯青少年科学小会:年度科学看点榜单)

这次会议还邀请了很多顶尖科学家:有SCIENCE新闻主编蒂姆拍摄全球首张黑洞照片的科学家艾弗里中科院国家天文台副台长刘继峰腾讯量子实验室负责人张胜誉清华大学生命科学学院院长王宏伟中国月球探测首席科学家欧阳自远……


                               
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这些科普嘉宾们将与孩子平等对话,以轻松活泼的方式,共同探讨科学里面的深邃话题,若不是现在黑洞救援十万火急,牛顿和莱布尼茨一定会为争当嘉宾掐起架来。

对话之后,科学小会还将带领一队好奇少年,潜入清华大学的重点实验室,在清华导师的带领下,零距离直击科学前沿。


                               
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这些设备和仪器,是爱搞实验的牛顿梦寐以求的,可惜作为大宗师,又不好意思与这些青少年抢实验室。

第二届科学小会,从科学大咖们的演说秀到年度科学事件回顾,从深入偏远地区的科学大篷车到参观清华大学实验室,科学小会表面虽说小,其实做的都是“大事件”。

命名为“小会”有三重含义,一是指专门为青少年量身定制,而非成年人;二是指伟大的科学突破也常起源于小问题,它激发兴趣和热爱;三是指不空谈宏愿,愿为唤起更多青少年的探索之心尽绵薄之力。

牛顿感慨:“这个世界,没有什么比在孩子心中点燃科学之火更重要。

莱布尼茨点头:“一粒种子可以长成参天大树;一个小孩,可以开拓宇宙大世界。一个小问题,也能点燃文明之火。

爱因斯坦修正自己原来的成见:“霍金说得不错,这虽然只是一个‘科学小会’,但激起的却是科学大兴趣。

史瓦西最后总结发言:

“我觉得除了科学意义上的‘史瓦西半径’,还有一个社会学意义上的‘史瓦西半径’,根据天体逃逸速度V计算公式计算天体的史瓦西半径:


                               
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质量越大,逃离‘人生黑洞’需要的能量就越多,成人由于受经验值所累,更愿意呆在舒适区,超脱飞扬的思想都会砰然坠地。”

质量越小,逃离黑洞需要的能量越低。对于小孩来说,他们没有经验黑洞的束缚没有大质量现实社会的引力牵绊,他们的世界更加无所顾忌,他们从小进入自然科学世界,沉迷于自己的想象半径中,可以进入138亿光年的宇宙。”

“所以,小孩的科学想像力远超我们,或许在未来,解决黑洞难题的就是他们。”



人类终将飞跃史瓦西半径

黑洞救援仍在继续,马克这个“黑洞囚徒”的命运牵动全球。

光和粒子均无法逃离“史瓦西半径”?
广义相对论真的就是金科玉律?
时间之箭不可逆转?
……


                               
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霍金带回来一个有用的消息:“我遇到了一个小男孩,我尝试着问他‘如果马克掉进了黑洞,该怎么办?’他的回答让我印象深刻,‘黑洞是个贪吃鬼,我们可以不断地给黑洞喂食负能粒子,让它吃成一个大胖子,最后把马克先生吐出来。’这个想法怎么样?”

热力学大师玻尔兹曼眼前一亮:“这是个不错的想法,黑洞最难消化的就是带“负能”的粒子。根据信息论,信息相当于负熵,黑洞具备热辐射,其温度满足公式T=k/2πKB,式中KB是玻尔兹曼常数。”

信息学宗师香农也兴奋起来:“随着黑洞吞食的负粒子越来越多,黑洞的热辐射也将越来越剧烈,而爱因斯坦的公式E=mc²表明,能量的损失会导致质量的损失。随着热辐射的加剧,黑洞有可能将能量吐出来……”


                               
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哈勃提出了自己的担心:“随着黑洞质量蒸发而不断丢失,黑洞的温度会逐渐上升,量子隧穿效应加剧。如果黑洞的质量变得足够小,黑洞周围极有可能会产生一个实真空泡。这个实真空泡会急速扩张,最终吞噬整个宇宙。”
……

科学家又一次陷入了沉思之中,不过气氛已经没有那么凝重:

黑洞救援计划仍将继续;
孩子追求宇宙真理的梦想仍将继续;
总有一天,人类能够飞跃史瓦西半径!

本文中涉及的科学家对话均根据资料虚拟


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