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1700930811 太阳不够重,无法压缩自己来形成黑洞,但如果我们用宇宙钳将它夹紧,使它的半径恰好压缩到2英里,它就变成一个黑洞。你可能会认为,如果钳子的压力变小,它的半径会弹回到5英里。不过为时已晚,组成太阳的材料会进入一种自由落体的状态。太阳表面会快速地经历1英里点、1英尺点和1英寸点(1英尺约为30厘米,1英寸约为2.5厘米)。这在形成奇点之前是不会停下来的,而且这种可怕的坍缩是不可逆转的。
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1700930813 想象你发现自己在一个黑洞附近,但是离奇点尚有一段距离。从那里发出的光能逃离黑洞吗?答案依赖于黑洞的质量和光开始其旅程的精确起点。一个称之为视界的假想球面将宇宙分为两部分。从视界内发出的光不可避免地被拉回黑洞,而从视界外发出的光能逃脱黑洞的引力。如果太阳变成了黑洞,视界的半径大约是2英里。
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1700930818 视界的半径称为史瓦西半径。这是为了纪念天文学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)而取的名字,他是第一个研究黑洞数学理论的人。史瓦西半径依赖于黑洞的质量;事实上,它直接正比于黑洞的质量。例如,如果太阳的质量变为现在的1000倍,离它2英里或3英里处发出的光就没有任何机会逃离,因为视界的半径增加了1000倍,达到了2000英里。
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1700930820 质量和史瓦西半径之间成正比是物理学家获知黑洞的第一个事实。地球的质量大约是太阳的百万分之一,因此它的史瓦西半径是太阳的百万分之一。只有把它挤压到越橘大小的时候才能形成暗星。相比之下,有一个超大尺寸的黑洞,潜藏在银河系中心,它的史瓦西半径大约是1000万英里,与地球环绕太阳的轨道大小相当。在宇宙的某一个小区域,甚至存在比这个黑洞更大的庞然大物。
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1700930822 没有任何地方比黑洞的奇点更为危险,任何事物都无法在它无限强大的力量下存活。爱因斯坦对奇点的想法感到惊恐不安,因此他抵制它的存在。但是我们只能接受它,如果足够多的质量堆积在一起,任何事物都无法对抗向心的巨大拉力。
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1700930824 潮汐和身高2000英里的人
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1700930826 大海每天就像是呼吸了两次一样,那么是什么引起大海的起伏呢?当然是月球,但它是怎样做到的呢?为什么每天两次呢?在我解释之前,首先让我向你们讲述一个关于身高2000英里的人的降落故事。
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1700930831 想象身高2000英里的人,即一个从他的头顶到脚底高2000英里的巨人,当他从外太空落向地球时,脚先着地。在外太空遥远的某处,引力太弱以至于他没有什么感觉。但是当他接近地球时,他长长的身体会产生强烈的感觉,不是下落的感觉而是被拉伸的感觉。
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1700930833 问题不在于这个巨人朝向地球的整体加速度,引起他感觉不适的原因,是因为引力在空间上的不均匀性。在远离地球的地方,引力几乎完全不存在。但是当他靠近地球时,由引力产生的拉力增加了。这个可怜的人太高了,以至于他的脚部受到的拉力要比他的头部受到的拉力大得多,净效应就是产生了难受的感觉,他的头部和脚部正在被朝相反的方向拉伸。
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1700930835 如果水平下落的话,他可能会避免被拉伸,因为头和脚处在同样的高度。然而当这个巨人这样做时,他感觉到了新的一种不适,一种被挤压的感觉代替了拉伸的感觉。他感觉自己的头部好像正在被压向脚部。
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1700930837 为了理解为什么会这样,我们暂时把地球想象成平坦的。下面就是它的样子:
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1700930842 图中带箭头的竖直线代表引力的方向,一律竖直向下,而且引力的强度是完全均匀的。在这样一种设定下,无论身高2000英里的人是竖直落下还是水平落下,都不会有任何麻烦,至少在他撞到地面之前不会遇到麻烦。
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1700930844 但是,地球不是平坦的,因而引力的强度和方向都是变化的。引力不是指向一个方向,而是直接指向球体的中心。
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1700930849 如果巨人水平下落时,就会产生新的问题。因为地心引力将他拉向地球中心,因此他的头部和脚部受到的力不同,导致了被压缩的奇怪感觉。
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1700930854 我们回到大海的潮汐问题。海水每天两次的涨落的原因,与2000英里高的人在下降中所感到不适的原因,是完全相同的:引力的不均匀性。但是在潮汐问题上,不是地球的,而是月球的引力起作用。正对月球的大海,受到它的引力最强,背对月球的那部分大海最弱。你如果认为月球仅引起靠近它的海洋的膨胀,那么你就错了。在下落中,巨人的头部被拉伸而远离他的脚部,出于同样的原因,地球两侧无论是面对,还是背向月球的水,都会膨胀而离开地球。有一种方法可以想象,地球上靠近月球那面的水由于月球的吸引而偏离地球,但是在远离月球的那边,月球吸引地球而偏离那部分水。结果地球上两边的水都会膨胀,一边朝向月球,一边背离月球。当地球在膨胀的水下回转时,每一点都经历两次潮汐。
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1700930859 由引力的强度和方向变化而引起的扭转力统称为潮汐力,无论它们是由于月球、地球、太阳,还是其他天体引起的。当身高正常的人从跳水板上跳下时,他们能感受到潮汐力吗?不能,我们是不能感受到的,但这仅仅是因为我们的尺寸太小,以至于地球的引力场,在我们身体尺度上几乎不发生变化。
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