“没有人,也永远不会有人能逃避选择所带来的后果。”——弗雷德·a·蒙泰普特

自从人类知道有黑洞这样的奇异天体以来,我们总是想在思维上战胜黑洞的引力,因为我们都知道黑洞的引力大到连没有质量、速度极高的光都无法逃脱。因此在思想上挑战黑洞的引力也是一件趣事。例如下面的假设:

我们有没有可能爬出黑洞?不是通过逃逸速度,而是通过假象的电梯。就像从地球上乘坐太空电梯一样,我们不必达到地球的逃逸速度,就可以逃离地球的引力场;或者,在一个黑洞的视界外,有一艘巨大的飞船可以提供足够的动力,是否可以用一根非常结实的绳子把一个人从黑洞里拉出来?

今天就聊下,这种看似完美变通的方法是否可行!

先说黑洞怎么来的

如果在黑洞外系一根不会断的绳子,能把落入黑洞的物体拉出来吗?-MAAMX

黑洞不仅仅有一个密度极大、质量极大的奇点,而且它周围的空间异常扭曲,以至于落入其中的任何物体都无法逃离。虽然这是我们通常认为的黑洞,但黑洞更准确地说就是一个物体周围的空间区域,任何形式的物质或能量,甚至光本身都无法逃离。

其实这并不像我们想象的那么复杂:如果我们把太阳按原样压缩到一个半径只有几公里的空间范围内,最终会得到一个黑洞。虽然我们的太阳不会经历这种危险的转变,但宇宙中的某些恒星最终会以这种方式产生黑洞。

如果在黑洞外系一根不会断的绳子,能把落入黑洞的物体拉出来吗?-MAAMX

宇宙中拥有很多年轻的大质量恒星,例如上图中超级星团的核心就有20、40、甚至是100颗最蓝、最热和最亮的天体,其中一些恒星的质量甚至是太阳的260倍。这些恒星的核心也是所有恒星中燃烧核燃料最快的,其寿命只有约100到200万年,而不是像太阳那样拥有数十亿年寿命。

当它们的核心耗尽核燃料时,核心的原子核就会受到巨大的引力作用,如果没有核聚变产生的辐射压力来支撑恒星本身,其核心就会发生内爆。在某些情况下,原子核和电子就会被融合在一起,形成大量的中子,所有的中子都在引力的作用下捆绑在一起,这就是所谓的中子星。如果核心的质量比太阳质量的3倍还大,那么中子星的密度和质量就会非常大,进一步坍缩,形成一颗黑洞。

如果在黑洞外系一根不会断的绳子,能把落入黑洞的物体拉出来吗?-MAAMX

恒星形成的黑洞一般质量都很小,是太阳质量的几倍到几百倍。然而,黑洞可以通过合并、吞噬物质和能量以及下沉到星系中心而变得更大。在银河系的中心,就有一个大约是太阳质量400万倍的天体,在其周围我们可以看到单个恒星绕着这个不发出任何光的天体旋转。

如果在黑洞外系一根不会断的绳子,能把落入黑洞的物体拉出来吗?-MAAMX

其他星系的黑洞质量甚至更大,是银河系黑洞质量的数千倍,而且理论上它们的大小没有上限。

黑洞一些简单的性质

关于黑洞有两个重要的性质我们还没有讨论过,这将引导我们找到今天问题的答案。首先是黑洞质量越大,空间会发生什么变化?

黑洞的定义是,任何物体在空间中都无法逃脱其引力,无论这个物体加速的速度有多快,无论这个物体是否以光速运动。一个物体可以和一个物体不能逃逸的边界就是我们所说的事件视界,每个黑洞都有一个这样的视界面。

如果在黑洞外系一根不会断的绳子,能把落入黑洞的物体拉出来吗?-MAAMX

在质量最大的黑洞周围的视界上,空间曲率要小得多,而在质量最小的黑洞周围,空间曲率是最严重的(也是最大的)!如果你“站”在一个黑洞的视界上,你的脚在视界面边缘,你的头离奇点1.7米远,就会有一股力量拉伸你的身体,产生很强的潮汐引力,我们称之为”意大利面化“。如果这个黑洞在我们星系的中心,拉伸你的力只有地球引力的0.1%,而如果地球本身变成一个黑洞,你站在上面,拉伸力将是目前地球引力的10^20倍!

如果在黑洞外系一根不会断的绳子,能把落入黑洞的物体拉出来吗?-MAAMX

掌握了以上的知识,下面我们就验证是否可以把一个物体用特别坚硬的绳子从黑洞里拉出来?

如果一个大黑洞的潮汐力在事件视界的边缘很小,或者一个绳子在电磁力的结合下也不会断,把一个物体悬在事件视界外,让他短暂的穿过视界面,然后安全地把它拉回来。

这可能吗?为了理解这一点,让我们回到中子星形成黑洞交界处发生的事情,也就是那个质量阈值处发生的事情。

如果在黑洞外系一根不会断的绳子,能把落入黑洞的物体拉出来吗?-MAAMX

想象一下,一个密度惊人的中子球,但表面的光子仍然可以逃逸到太空中,不会螺旋进入中子星。现在,让我们在其表面再放一个中子,这个中子就是压跨中子星的那根稻草,突然这个中子球本身无法抵抗引力进一步发生了坍缩。现在让我们看一下黑洞形成时发生了什么?

现在再想象一个由夸克和胶子组成的中子,我们知道胶子在中子中从一个夸克运动到另一个夸克以交换强核力,将夸克组合在一起形成中子。

如果在黑洞外系一根不会断的绳子,能把落入黑洞的物体拉出来吗?-MAAMX

现在,在中子星坍缩成黑洞时,其中一个夸克会比另一个夸克更接近黑洞中心的奇点,而另一个则会离得更远。为了使力的交换发生,为了使中子稳定,胶子必须在某一时刻,从较近的夸克移动到较远的夸克。但即使胶子在光速下(胶子是无质量的),已经再也无法传递强力!因为所有的零测地线,或者一个物体以光速运动的路径,都会进去黑洞中心的奇点。也就说,胶子的路径不再是随意的传递强力,而是只能落向奇点,此外,胶子永远不会比发射时离黑洞奇点更远。只要进入黑洞的视界面,所以的力都无法正常传递。

这就是为什么黑洞视界内的中子必须崩溃才能成为中心奇点的一部分。

如果在黑洞外系一根不会断的绳子,能把落入黑洞的物体拉出来吗?-MAAMX

现在,让我们回到跨越黑洞视界面的绳子。无论何时任何粒子穿过视界,都不可能再从视界中逃逸。而光子和胶子是需要与视界外的粒子交换力的粒子,它们只要进入视界面就会落向黑洞奇点,而无法到达视界外再去传递任何力!

没有电磁力或强核力任何物质都会崩溃,因为这是原子都无法稳定的存在;如果我们还假设绳子不会断,这更有可能意味着这些粒子冲向奇点的作用会把整艘宇宙飞船都拉进黑洞。当然,就算黑洞的潮汐力很小,不会分解任何物质,但是所有有质量、能量和速度的粒子一旦穿过视界,都会朝向奇点运动,而不会再去传递任何力。

出于这个原因,一旦穿过视界,仍然没有办法走出黑洞。