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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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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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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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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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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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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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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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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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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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坠入地狱
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我走上渺无人烟的神秘之路。
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——但丁《神曲》
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当你掉向一个具有太阳质量的黑洞时,潮汐力不会如此仁慈。紧密收缩在黑洞微小的体积内的质量不仅使视界附近的引力非常强大,而且变得非常不均匀。在你到达史瓦西半径之前,当距离黑洞不超过100 000英里处时,潮汐力就会使你感觉极为不适。对黑洞周围快速变化的引力场而言,你就如同身高2000英里的巨人一样大。当接近视界时,你会变形,几乎类似于从管子里挤出的牙膏。
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有两种方法可以消除黑洞视界处的潮汐力的影响:或者让你自己变小些,或者让黑洞变大些。细菌在一个具有太阳质量的黑洞的视界处是不会感受到潮汐力的,而你在具有100万倍太阳质量的黑洞的视界处同样如此。这似乎有点儿违反直觉,因为质量大的黑洞周围的引力作用会更强些。但是,这种思维方式忽略了一个重要的事实:质量大的黑洞的视界是如此之大,以至于它几乎是平坦的。在黑洞视界附近,引力场非常强却几乎是均匀的。
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如果你对牛顿的引力理论略有所知,你就可以计算出一个暗星视界处的潮汐力。你会发现,暗星半径和质量越大,视界处的潮汐力就越弱。因此,穿过一个非常大的黑洞的视界是平安无事的。然而不幸的是,你依然无法逃脱潮汐力的魔爪,甚至对于最大的黑洞也是如此。大的尺寸仅仅延缓了这种必然,最终会无可奈何地落向奇点,正如但丁(Dante)所想象的折磨那样可怕,托克马达(Torquemada)在西班牙宗教法庭所遭受的苦难,毁灭的情形浮现在我的脑海中。即使最小的细菌在垂直轴上也会被分裂,水平方向上被挤扁。小的分子会比细菌存活的时间长些,原子会存活得更长些。但是,甚至对于单个质子而言,奇点迟早会占到上风。我不知道但丁关于任何犯罪的人,都无法逃脱地狱的痛苦折磨的言论是否正确,但是我非常确定任何事物,都无法逃离黑洞奇点处可怕的潮汐力。
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我们已知道被拉入奇点的物体如同坠入地狱,这当然不是什么好事。尽管奇点有着不仅奇异而且残忍的性质,但仍然不是黑洞最神秘之处。无论如何,奇点至少不像视界那样似是而非。当物质穿过视界时会发生什么呢?现代物理学中几乎没有比这个问题更为混乱的答案了。无论你怎样回答,都可能是错的。
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米歇尔和拉普拉斯的时代远远早于爱因斯坦的时代,因此无法预料到他在1905年作出的两大发现。第一个发现是狭义相对论,它所基于的原理是:包括光在内,任何事物都永远无法超过光速。米歇尔和拉普拉斯知道光不会逃逸出暗星,但是他们没有意识到其他事物更加不能逃逸。
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爱因斯坦在1905年的另一个发现是:光实际上是由粒子组成的。在米歇尔和拉普拉斯猜想出暗星不久,牛顿关于光的微粒说就失宠了。事实证明光是由波组成的,类似于声波或是大洋表面的波。直到1865年,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)领会到光是由波动的电场和磁场组成的,在空间以光速传播,光的微粒说寿终正寝了。似乎没有人会想到电磁波仍然可能被引力吸引,因此暗星被遗忘了。
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暗星就这样被忘却了,一直到1917年,当天文学家卡尔·史瓦西求解爱因斯坦新制的广义相对论方程,并重新发现暗星[21]为止。
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