黑洞一旋轉,反而變安全

物理 黑洞 地球 宇宙 宇宙飛船 大科技雜誌社 2018-11-29

當黑洞旋轉起來,它們也就不那麼可怕了,反而會成為我們穿越時空的通道!

黑洞一旋轉,反而變安全

黑洞都跳旋轉舞

宇宙中存在著可怕的黑洞,那是連光都會吞噬的可怕天體。如果我們真能看到黑洞,或許會觀察到周圍明亮的背景襯托出一個黑暗的圓洞。但黑洞裡面是什麼樣的呢?

誰也沒有到黑洞裡面去觀察過,不可能,也不敢,因為根據科學家從愛因斯坦的相對論公式測算的結果,黑洞內部很可能是非常空曠的,而中心則是一個密度無限大、體積無限小的奇點。如果人類的探測器敢於踏入那一圈黑洞邊界,就會徑直向那個奇點落去,並被撕碎,擠壓進奇點,也變成無限大密度的奇點的一部分。可見,任何生命踏入黑洞,立刻會喪命。

其實這種中心一個奇點的黑洞,雖然很古怪,但這只是德國天文學家施瓦西在1916年推測出的一種非常理想的黑洞,這種黑洞是靜止在太空中的。但天體物理學認為,宇宙中的天體都在自轉或公轉,由恆星衰亡產生的黑洞,其自身的旋轉不會消失,必然也會繼續旋轉下去,因此,如果黑洞是存在的,那麼它應該會是旋轉著的“克爾黑洞”。克爾黑洞是1963年新西蘭物理學家克爾根據相對論計算和推測出的旋轉黑洞。

旋轉的黑洞會有什麼“怪癖”嗎?

黑洞一旋轉,反而變安全

黑洞是個大雞蛋

黑洞一旦旋轉起來,就會變得異常複雜和玄妙,也不再那麼可怕了。

首先,靜止的黑洞是圓球形,但自轉會改變黑洞的形狀,這是因為自轉的離心作用會把物質從軸心向邊緣甩,但又由於黑洞的引力很強大,因此自轉只是改變了它的形狀,使旋轉的黑洞擁有一個扁球形的體型,就像地球也不是真正的球體,由於自轉形成了赤道有些凸起的扁球形,這種體型從赤道方向看是橢圓形,但從兩極方向看則還是圓形。

其次,黑洞的旋轉會攪動周圍的時空隨它一起旋轉。旋轉的天體都會拖曳周圍的時空一起旋轉,就像在水中旋轉的物體也會帶動周圍的水隨之一起旋轉一樣。地球也會帶動周圍的時空一起旋轉,這已經被髮送到地球上空的引力探測器探測出來了。

第三,它的旋轉還會讓內部的時空也發生很大的變化。黑洞的旋轉會讓奇點變成奇環,密度無限大的、極細的圓環,圍繞旋轉軸轉動;還會讓黑洞的視界(就是光都逃不出的邊界)內部再生出一個視界來,叫做內視界。所以旋轉的黑洞會有兩個視界。而且旋轉黑洞不光攪動外部時空旋轉,也會攪動內部時空旋轉,因此黑洞中心處(內視界內部)也存在旋轉的時空漩渦。

總之,旋轉讓黑洞的結構變得很有趣,整體上感覺它具有類似雞蛋的結構,有蛋清部分和蛋黃部分,蛋清部分是最外圈不斷隨著黑洞旋轉的扁圓形的時空,這部分是可以被人類觀測到的,叫做旋轉黑洞的“能層”。蛋黃部分就是黑洞的視界內部,這部分在人類觀測看來是黑黑的,就像靜止黑洞的視界一樣,只是旋轉黑洞的視界不是真正的圓形,而是因旋轉而變得也有些扁。

有趣的是,旋轉黑洞的蛋黃部分並不像雞蛋蛋黃那樣是實心的,而是空心的,因為它內部還有一個視界,這兩個視界構成了夾層結構,最中心包裹著一個極細的圓環,圓環周圍還有形狀獨特的漩渦。給人感覺,旋轉黑洞的蛋黃部分又像是一個皮較厚的西瓜,內部瓤被中心的圓圈蟲吃掉了很多,被掏成了葫蘆形的空心。

黑洞一旋轉,反而變安全

衝過黑洞,進入新時空

將來,若人類真的能夠乘著宇宙飛船進入這種黑洞,並穿越這種黑洞,將是一次奇妙的旅程。放心吧,那裡不會像靜止黑洞那麼危險。

旅行者們從很遠處就可以觀察到一個漩渦在高速旋轉,這是因為黑洞周圍時空的星體和星際物質被攪動得高速旋轉,讓人們看不到黑黑的洞。繼續靠近漩渦,宇宙飛船會被迅速攪進去,隨著其他星體快速旋轉,並越轉越快,向漩渦的中心落去。在漩渦外的人看來,好像是宇宙飛船被漩渦瞬間吞噬了。

進入漩渦的飛船不久就會遇到一圈黑黑的邊界,它就是旋轉黑洞的視界,光進入其中也繞不出來。飛船上的人正在恐懼中,已經被漩渦高速攪入了黑色邊界內部,說來也奇怪,一旦進入內部,竟然不再是黑的了,而是異常明亮,外界的景象是歷歷在目!不僅如此,來自黑洞內部的景象也看得清楚,中心有隨黑洞旋轉的時空漩渦,如果中心的“圓圈蟲”是有顏色的,也可以看見。

只是恐怖的是,飛船徑直向中心落去,飛船要擠進密度無限大的奇環嗎?哎呀!要是那樣可就沒命了!

正在害怕時,飛船好像受到了來自中心的排斥作用,速度減慢了,之後又穿過了一個邊界,回頭一看,原來那又是一圈黑邊界(黑洞的內視界)。飛船穿過這層邊界後,來自中心的排斥力變得非常強大,這排斥力顯然來自中心的奇環。

原來,旋轉黑洞內部的奇環雖然也是密度無限大,但奇環的引力方向竟然是相反的,也就是說,奇環對於有質量的物體不再是像奇點那樣吸引,而是排斥!這異常大的排斥力會讓進入黑洞的物體不會撞到奇環,也就免除了殞命的結局,除非進入的物體異常巧合,正好是貼著旋轉黑洞的赤道面進入的,那麼它十之八九會撞到中心的奇環而被奇環吞噬。

進入內部視界的飛船不但受到了中心奇環的排斥,而且還受到了內部漩渦的旋轉推動。更神奇的是,這內部的漩渦不像是外部的漩渦那樣是一個扁球形的,它竟然是葫蘆形的,側面呈“8”字形(在中心奇環的位置上可以觀測到),而且這“葫蘆”是沿黑洞旋轉軸方向站立著的,“葫蘆”嘴的朝向就是黑洞的旋轉軸指向。

於是,在這葫蘆形的漩渦中,飛船旋來旋去,竟然被從“葫蘆嘴”附近甩了出去,重新被甩進了黑洞內外視界之間的球殼中,由於飛船進入黑洞的時候有一定的速度,因此飛船可以在黑洞的另一側以超光速穿出黑洞,進入黑洞另一側的時空中。於是在飛船上的人看來,他在黑洞內部好像是穿越了時空,進入了另一個時空!

黑洞一旋轉,反而變安全

穿越時空的快速通道

需要說明的是,靜止黑洞視界的直徑是最大的,而且只有一個視界,但黑洞一旦旋轉起來,內部的奇點就會由點變成環,並生出內部視界,內部視界的直徑會隨著轉速的增大而增大,而外部的視界直徑則會隨著轉速的增大而縮小。

一般的轉速下,旋轉黑洞就是以上的結構,但是如果黑洞旋轉速度足夠快,外部視界縮小,內部視界同時又擴大,就會達到內外兩個視界重合,這時,旋轉黑洞就相當於沒有視界了,也就不算是黑洞了,變成了內部裸露在外面(這就是霍金一度認為不可能存在的“裸奇點”),可以被觀測到的快速漩渦了。而且這時原本黑洞內部的葫蘆形漩渦,也在兩極處露出了“葫蘆嘴”。

這種時空的快速漩渦,對將來人類的時空旅行很有用,它可以充當真正的時空隧道。進入其中的物體經歷一番極速的旋轉之後,會從另一端的“葫蘆嘴”被甩出去或吐出去,甩到漩渦另一端的時空中。於是這也就實現了真正意義上的瞬間時空穿梭,抵達人類即使乘坐光速飛船窮其一生也無法到達的地方。通過這種時空漩渦的幫忙,也許在幾秒鐘內就到了遙遠的地方。

這個過程就像一隻螞蟻在一塊巨大的薄板(例如1釐米厚)上,想從一側爬到其腳下的另一側,需要繞很遠很遠,甚至窮其一生也爬不到,但如果在螞蟻的腳下開一個洞,螞蟻不用10秒鐘就可以爬到板的另一側。這不禁讓人想起了百慕大讓人失蹤的漩渦,也許地球附近也存在這種異常彎曲的時空漩渦,會讓人從地球上消失,從很遠的地方甚至太空中出現。這也讓人想到了科學家推測的宇宙怪物——蟲洞,其實內視界與外視界重合的旋轉黑洞,表現就類似蟲洞。物體被外部漩渦旋入或吸入,又被內部漩渦旋出或吐出。

只是根據計算,太陽那麼大質量的天體假如變成黑洞,視界直徑也就只有17.7千米,旋轉起來,其視界要比靜止黑洞的視界又會小得多,飛船如果體積較大,穿越時,很容易就會蹭到中心的奇環,一旦蹭到奇環,就會被奇環吞噬,因此將來的時空穿梭飛船體積還不能太大了,否則穿越旋轉黑洞也要付出生命的代價。

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