黑洞為何能“吞噬”光

　　著名科普作家、中科院國家天文臺客座研究員卞毓麟介紹，黑洞是科學家根據廣義相對論做出的一個重要推測，1969年由美國物理學家約翰·惠勒命名。這個推測已被天文學觀測證實。也就是說，黑洞是真實存在的，是宇宙中的一種天體。

　　其之所以稱為“黑洞”，是因為無法用光或其他形式的電磁波觀測它，任何發射到黑洞的光都會被吸收，而不會反射回來。這是什么原因呢？讓我們從地球引力講起。人在地面上向天空拋射一個物體，無論用多大力，物體速度有多快，總會掉落下來，這就是引力的作用。然而，當一個物體(如航天器)的飛行速度達到11.2公里/秒，就可以擺脫地球引力的束縛，飛離地球進入行星際空間，不再繞地球運行。這個脫離地球引力場的最小速度稱為“第二宇宙速度”，也稱“逃逸速度”，即逃逸地球引力場的最小速度。

　　每個天體的逃逸速度是不同的。比如，太陽的逃逸速度約為618公里/秒，也就是說，假如在太陽上發射航天器，它的速度至少須達到618公里/秒，才能脫離太陽的引力場。

　　那么黑洞的逃逸速度是多少呢？答案是：大于光速。宇宙中沒有任何物體的速度超過光速。這表明，包括光在內的任何物質和輻射只要進入黑洞的“視界”(引力場的一個封閉邊界)，都無法逃脫它的“魔爪”。因此，黑洞“黑”到了極致，人類根本無法直接觀測。

　　然而，黑洞的存在有其蛛絲馬跡。一種跡象，是附近星球的運行軌跡異常。因為黑洞的引力驚人，在其“視界”外附近的星球，勢必受到明顯影響。在《星際穿越》中，那顆巨浪像山一樣的巨浪星，就處在黑洞附近，以至于許多觀眾吐槽說：明知這顆行星在黑洞附近，還要去探測它是否適合人類居住，難道未來人類的科學水平這么低嗎？第二種跡象，是強烈的X射線源。宇宙中遍布氣體、塵埃等星際物質，它們在即將進入黑洞“視界”時，會發出強烈的X射線。所以在宇宙中觀測到異常的X射線源，就應該進一步分析后可能會判定那里是否存在黑洞。

　　接近黑洞奇點會發生什么

　　黑洞是怎么形成的？卞毓麟說，超大質量的恒星，其歸宿是變成黑洞。像太陽這樣的小質量恒星，最終會變成白矮星。質量較大的恒星最終會變成密度更大、引力更強的中子星。而超大質量恒星最終會形成引力超強的黑洞。

　　物理學家認為，在黑洞的中心存在奇點。它的密度無限大、引力場無限強、體積無限小。

　　目前，包括廣義相對論、量子力學在內的所有科學理論都無法描述這個點，它是宇宙萬物中最神秘的存在。

　　無怪乎，《星際穿越》 的編劇充分發揮想象力，設置了這一情節：因缺少奇點數據，老教授布蘭德解不開一個引力方程，無法把地球上的人類送到太空中定居。最后，男主角庫珀和機器人塔爾斯進入黑洞，拿到了奇點數據，使他的女兒解開方程，把人類移民到空間站。

　　不過，從科學角度分析這段情節，存在一些疑問。比如，人如果進入黑洞，能否平安到達奇點？引力源對物體產生引力，由于物體上各點到引力源距離不等，所以受到引力大小不同，從而產生引力差，對物體產生撕扯效果，這種引力差稱為潮汐力。黑洞具有極其強大的引力場，當人頭朝上，腳朝下垂直地落向黑洞，人的腳底受到的引力比頭頂大很多，這種潮汐力導致人被拉長、撕碎，物理學界稱之為“意大利面條化”。

　　但專家指出，據此質疑《星際穿越》的科學性，低估了這部影片的科學把關人——美國理論物理學家基普·索恩的水平。根據研究，黑洞可分為幾類。微型黑洞由于尺度小、穩定性差，難以觀測。穩定黑洞分為恒星級黑洞和超大質量黑洞。前者的質量一般是太陽質量的幾倍到幾十倍，后者的質量可高達太陽的幾十萬倍。如銀河系中心存在質量相當于400萬個太陽的黑洞。

　　恒星級黑洞在科幻作品中曝光率很高，“視界”內部密度極高，潮汐力驚人，人一旦墜入就會變成“意大利面條”。而超大質量黑洞的尺度很大，質量又集中于內核，其“視界”附近的潮汐力很微弱。影片中男主人公進入的黑洞，應該屬于超大質量黑洞，因此穿過“視界”時沒有被潮汐力扯斷。當然，越接近超大質量黑洞的中心，人受到的潮汐力越大，如果沒有未來人類為他開辟的五維時空，庫珀的最終命運仍是變成“意大利面條”。

　　人類未來應移居哪里

　　卞毓麟說，當124歲的庫珀蘇醒后，他被告知人類已移居大型空間站，這個結尾很好，也值得現實生活中的我們思考：人類未來的生存空間是哪里？

　　隨著人均壽命的延長，地球人口在不斷增長。雖然增長幅度未來可能減小，但地球總有一天會人滿為患、資源供不應求。多出來的那部分人可移居哪里？有人提出開發地球的地下空間，有人提出到海洋里建房居住，然而這些方案并不能從根本上解決問題，因為地下、海洋也面臨人滿為患、資源供不應求的問題。

　　卞毓麟認為，從長遠看，移居太空勢在必行�？茖W家們設想，在漫長的歲月中，人類可以陸續建造一批大型空間站，每個空間站可容納10萬以上人口。這些未來人類的太空定居點將從地球附近逐漸擴展到太陽系的遠方。比如，太陽系的小行星帶有豐富資源，人們能就地取材，繁衍更多、更遙遠的空間站。

　　科幻作家、《三體》 作者劉慈欣也認為，人類未來應移居太空，擁抱“星艦文明”。為此，他構想了4個階段。

　　首先，是向月球移民。緊隨月球移民之后，是在地球軌道上建立太空城。太空城是一個龐大的空殼結構，高度封閉，要承受內部大氣壓和自轉產生的強大離心力，這對于材料和建設工藝都是巨大的挑戰。太空城和月球移民有一共同特點，是“殖民地”距地球較近，這使“殖民地”可以部分或全部由地球的補給維持。但真正意義上的太空移民，必須建立起自給自足的生態系統。這種移民很可能從火星移民開始，生活在那里的人類必須實現資源自給自足。

　　劉慈欣認為，在更遠方召喚人類的，是向太陽系外的星系移民。在太陽周圍15光年范圍內，有50多顆恒星。在人類掌握恒星際航行技術之前，飛船到達那些恒星需要漫長時間。因此，恒星間的移民等同于向飛船上移民，飛船本身就是移動的“殖民地”。永恒的星艦漂泊，可能成為人類文明的一種正常生存狀態。 　　更多精彩內容，敬請關注趣聞解密官方微信(微信號：quwenjiemi_wx) 看天下趣聞，解未解之謎。

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