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如果不幸掉進黑洞會發生什么 研究有了新發現

黑洞是宇宙中最神秘的天體之一,不過得益于由于各類科普、科幻作品的描寫,大眾對黑洞也有了一些基本的認知,比如“光都逃不出來”“質量非常大,引力也非常強”“足以扭曲時空”等等。此外大家有個共識,那就是被“離黑洞太近會死”。不過,黑洞的尺寸有大有小,多大的黑洞才足以致命呢?

還真有人正經研究了這個問題,并在最近一篇發表在預印雜志上的研究給出了科學的答案。


小型原始黑洞穿過人體的引力效應

下面咱們就分情況說一說。

如果你不幸掉進黑洞里......

1915 年,德國物理學家和天文學家卡爾·史瓦西 (Karl Schwarzschild) 在得出愛因斯坦廣義相對論近似的精確解后,提出了現代的黑洞概念。黑洞是宇宙中最極端的天體,它的引力強大到連光都無法逃脫。

一般來說,黑洞的形成來自于一顆巨大恒星的死亡,當燃料耗盡,恒星核心在自身引力下猛烈坍縮,最終形成一個奇點——一個體積無限小、密度無限大的點。奇點外部圍繞著一個“視界”,一旦跨過這個邊界,任何物質都會被永遠困在黑洞之中,就像掉進了宇宙的“無底洞”。但黑洞并不是完全“黑暗”的,它周圍的吸積盤由高速旋轉的氣體和塵埃組成,會釋放出極其明亮的 X 射線,使其在深空中顯得格外耀眼。

如果太陽的質量被擠壓成一個無限小的點,它將形成一個半徑約 3 公里的黑洞。如果你不幸掉進這樣一個黑洞,你會經歷一種被稱為“意大利面條化”的過程。由于黑洞的引力梯度巨大,靠近黑洞的一端會受到比另一端更強的拉力,你的身體會像橡皮筋一樣被拉長,就像是意大利面條一樣,最終在分子層面上被撕裂。


“意大利面條化”的過程(來源:wiki)

而在掉入黑洞的過程中,外界觀察者會看到你越來越慢,甚至永遠停留在視界邊緣,因為光需要無窮久的時間才能從那里逃脫。但對你而言,掉進去只是轉瞬之間的事情。好消息是,前文只是用太陽的質量做了一點推算,事實上太陽“體重過輕”,根本無法自己坍縮成黑洞。

人被“小黑洞”砸到會發生什么?

這里得先做一點說明,絕大多數情況下,黑洞都是非常巨大的,它們的質量動輒都能達到太陽的數十倍甚至數百億倍。面對這樣的體量,“被砸到”顯然無從談起。

那么,有沒有小一點的黑洞呢?

原初黑洞(Primordial Black Holes)是一類假想的黑洞類型,研究者認為它們并非由大質量恒星的引力坍縮形成,而是在宇宙大爆炸后的極早期階段產生的,這些黑洞的尺寸范圍非常廣泛,質量范圍可能從原子級一直到太陽質量的十萬倍。


原初黑洞示意圖(圖片來源:NASA)

而一些理論模型認為,原初黑洞可能是暗物質的來源。如果這一假設成立,這些原初黑洞的質量范圍限制在 1013 到 1019 千克之間,這與小行星的質量范圍相當,而我們碰到這個級別的黑洞的可能性最大。這個質量范圍的黑洞,直徑不到1微米,已經可以“砸人”了。

既然理論上的確存在“能砸人”的黑洞,就可以研究研究人體被砸到后會發生什么了。被微型黑洞“砸到”,我們會面臨兩種傷害:潮汐力和沖擊波。

先說說潮汐力,前文提過,如果人掉進黑洞,由于引力梯度巨大,靠近黑洞的一端會受到比另一端更強的拉力,身體會被撕裂。而當小黑洞“撞到人”時,也會對人體產生引力差異。問題是,這種引力差異是否足以“意大利面條化”的撕裂人體組織?

考慮到質量與小行星相當的黑洞直徑不到 1 微米,因此即使有潮汐力,其影響范圍也極小。如果它穿過人體的軀干或四肢,可能會造成局部損傷,但不會致命,類似于一根針穿過身體。如果黑洞穿過頭部,潮汐力則可能會破壞大腦細胞,因為大腦細胞極其脆弱,即使是 10 到 100 納牛頓的力差持續幾微秒,也能損傷腦細胞。

不過,相比潮汐力,沖擊波的危害更大。當黑洞進入人體時,會產生密度波,在體內傳播。這些沖擊波不僅會直接損害細胞,還會傳遞熱能,進一步加劇破壞。為了產生類似于 0.22 口徑子彈的沖擊波,黑洞只需達到 1.4 x 1014 千克的質量,而這一質量完全在可能存在的原初黑洞范圍內,這樣的原初黑洞就有能力把你殺死。

當然,被原初黑洞擊中這件事,更像是一個有趣的思想實驗。因為著名物理學家史蒂芬·霍金提出了一種理論,即黑洞并非永恒存在,而是會以霍金輻射的方式緩慢蒸發。

微型黑洞比大質量黑洞蒸發速度更快,因此如果宇宙中存在過非常小的黑洞,它們可能已經在宇宙歷史中消失了。而且,即使原初黑洞確實存在,其在宇宙中的數量與空間的浩瀚程度相比,也意味著每年被其擊中一次的概率小于 10-18,所以大家完全不必擔心被其擊中。

小結

黑洞看似是宇宙的“終結者”,但它們也可能是“創造者”。霍金輻射理論表明,黑洞會緩慢蒸發,最終消失,這讓科學家猜測它們可能是宇宙循環的一部分。

而在科幻設想中,黑洞的強大引力也可能扭曲時空,成為通往另一個宇宙的“蟲洞”入口,或者實現時間旅行的關鍵。

雖然我們目前無法驗證這些假設,但黑洞無疑是宇宙中最神秘、最具挑戰性的研究對象之一,它們不僅讓科學家重新思考時間、空間和引力的本質,也激發了無數關于宇宙終極奧秘的想象。

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