黑洞是宇宙中最神秘的天体之一,不过得益于由于各类科普、科幻作品的描写,大众对黑洞也有了一些基本的认知,比如 光都逃不出来 质量非常大,引力也非常强 足以扭曲时空 等等。此外大家有个共识,那就是被 离黑洞太近会死 。不过,黑洞的尺寸有大有小,多大的黑洞才足以致命呢?
还真有人正经研究了这个问题,并在最近一篇发表在预印杂志上的研究给出了科学的答案。
小型原始黑洞穿过人体的引力效应
下面咱们就分情况说一说。
如果你不幸掉进黑洞里......
1915 年,德国物理学家和天文学家卡尔 史瓦西 (Karl Schwarzschild) 在得出爱因斯坦广义相对论近似的精确解后,提出了现代的黑洞概念。黑洞是宇宙中最极端的天体,它的引力强大到连光都无法逃脱。
一般来说,黑洞的形成来自于一颗巨大恒星的死亡,当燃料耗尽,恒星核心在自身引力下猛烈坍缩,最终形成一个奇点 一个体积无限小、密度无限大的点。奇点外部围绕着一个 视界 ,一旦跨过这个边界,任何物质都会被永远困在黑洞之中,就像掉进了宇宙的 无底洞 。但黑洞并不是完全 黑暗 的,它周围的吸积盘由高速旋转的气体和尘埃组成,会释放出极其明亮的 X 射线,使其在深空中显得格外耀眼。
如果太阳的质量被挤压成一个无限小的点,它将形成一个半径约 3 公里的黑洞。如果你不幸掉进这样一个黑洞,你会经历一种被称为 意大利面条化 的过程。由于黑洞的引力梯度巨大,靠近黑洞的一端会受到比另一端更强的拉力,你的身体会像橡皮筋一样被拉长,就像是意大利面条一样,最终在分子层面上被撕裂。
意大利面条化 的过程(来源:wiki)
而在掉入黑洞的过程中,外界观察者会看到你越来越慢,甚至永远停留在视界边缘,因为光需要无穷久的时间才能从那里逃脱。但对你而言,掉进去只是转瞬之间的事情。好消息是,前文只是用太阳的质量做了一点推算,事实上太阳 体重过轻 ,根本无法自己坍缩成黑洞。
人被 小黑洞 砸到会发生什么?
这里得先做一点说明,绝大多数情况下,黑洞都是非常巨大的,它们的质量动辄都能达到太阳的数十倍甚至数百亿倍。面对这样的体量, 被砸到 显然无从谈起。
那么,有没有小一点的黑洞呢?
原初黑洞(Primordial Black Holes)是一类假想的黑洞类型,研究者认为它们并非由大质量恒星的引力坍缩形成,而是在宇宙大爆炸后的极早期阶段产生的,这些黑洞的尺寸范围非常广泛,质量范围可能从原子级一直到太阳质量的十万倍。
原初黑洞示意图(图片来源:NASA)
而一些理论模型认为,原初黑洞可能是暗物质的来源。如果这一假设成立,这些原初黑洞的质量范围限制在 1013 到 1019 千克之间,这与小行星的质量范围相当,而我们碰到这个级别的黑洞的可能性最大。这个质量范围的黑洞,直径不到1微米,已经可以 砸人 了。
既然理论上的确存在 能砸人 的黑洞,就可以研究研究人体被砸到后会发生什么了。被微型黑洞 砸到 ,我们会面临两种伤害:潮汐力和冲击波。
先说说潮汐力,前文提过,如果人掉进黑洞,由于引力梯度巨大,靠近黑洞的一端会受到比另一端更强的拉力,身体会被撕裂。而当小黑洞 撞到人 时,也会对人体产生引力差异。问题是,这种引力差异是否足以 意大利面条化 的撕裂人体组织?
考虑到质量与小行星相当的黑洞直径不到 1 微米,因此即使有潮汐力,其影响范围也极小。如果它穿过人体的躯干或四肢,可能会造成局部损伤,但不会致命,类似于一根针穿过身体。如果黑洞穿过头部,潮汐力则可能会破坏大脑细胞,因为大脑细胞极其脆弱,即使是 10 到 100 纳牛顿的力差持续几微秒,也能损伤脑细胞。
不过,相比潮汐力,冲击波的危害更大。当黑洞进入人体时,会产生密度波,在体内传播。这些冲击波不仅会直接损害细胞,还会传递热能,进一步加剧破坏。为了产生类似于 0.22 口径子弹的冲击波,黑洞只需达到 1.4 x 1014 千克的质量,而这一质量完全在可能存在的原初黑洞范围内,这样的原初黑洞就有能力把你杀死。
当然,被原初黑洞击中这件事,更像是一个有趣的思想实验。因为著名物理学家史蒂芬 霍金提出了一种理论,即黑洞并非永恒存在,而是会以霍金辐射的方式缓慢蒸发。
微型黑洞比大质量黑洞蒸发速度更快,因此如果宇宙中存在过非常小的黑洞,它们可能已经在宇宙历史中消失了。而且,即使原初黑洞确实存在,其在宇宙中的数量与空间的浩瀚程度相比,也意味着每年被其击中一次的概率小于 10-18,所以大家完全不必担心被其击中。
小结
黑洞看似是宇宙的 终结者 ,但它们也可能是 创造者 。霍金辐射理论表明,黑洞会缓慢蒸发,最终消失,这让科学家猜测它们可能是宇宙循环的一部分。
而在科幻设想中,黑洞的强大引力也可能扭曲时空,成为通往另一个宇宙的 虫洞 入口,或者实现时间旅行的关键。
虽然我们目前无法验证这些假设,但黑洞无疑是宇宙中最神秘、最具挑战性的研究对象之一,它们不仅让科学家重新思考时间、空间和引力的本质,也激发了无数关于宇宙终极奥秘的想象。