在回答這個(gè)問題之前,我們首先要搞清楚黑洞的定義是什么?
我們通常所認(rèn)為的黑洞,是空間中這樣一個(gè)區(qū)域,它內(nèi)部的重力極大,以至于任何東西都將被其吸引,連光都無(wú)法逃脫。
黑洞包括兩個(gè)部分:一個(gè)是位于它中心的奇點(diǎn),它是黑洞的質(zhì)點(diǎn),黑洞所有的質(zhì)量都集中在這個(gè)比原子還小得多的、幾乎是無(wú)限小的點(diǎn)上;而在這個(gè)奇點(diǎn)的外圍有一個(gè)區(qū)域,在這個(gè)區(qū)域里因?yàn)橐O大,連光子都無(wú)法逃脫,所以我們從外界看它是黑色的,我們無(wú)法知道里邊發(fā)生了什么事情,因此將這個(gè)黑色區(qū)域的邊界稱為“事件視界”,又有人稱之為黑洞的“地平線”。
(一個(gè)黑洞的想象圖,黑色部分是它的事件視界,奇點(diǎn)在其中間,小到我們看不見)
由于黑洞的奇點(diǎn)與它的事件視界是不可分離的,有奇點(diǎn)就必然存在事件視界,所以我們將事件視界與它里邊的奇點(diǎn)并稱為黑洞。
黑洞有多大?
我們都知道黑洞有大有小,黑洞的大小通常以它的質(zhì)量來(lái)衡量。在宇宙中,科學(xué)家們以太陽(yáng)質(zhì)量的倍數(shù)來(lái)衡量一個(gè)黑洞的大小。比如銀河系中心黑洞人馬座A*的質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的450萬(wàn)倍,而科學(xué)家們剛剛拍攝的室女座M87星系中央M87*黑洞質(zhì)量則是太陽(yáng)質(zhì)量的65億倍!
(M87*黑洞)
黑洞的質(zhì)量有這么大,那么它的體積到底是多少呢?
科學(xué)家們說,黑洞不管質(zhì)量有多大,它中央質(zhì)點(diǎn)的體積都接近無(wú)窮小、密度趨向無(wú)窮大。而黑洞地平線的半徑則與它質(zhì)量的大小相關(guān),也就是說,黑洞的質(zhì)量越大,我們看到的那個(gè)黑色的“球”就越大。這個(gè)“球”的半徑由史瓦西半徑公式可以求出。
按照史瓦西半徑計(jì)算公式:R = 2GM / c2
已知引力常數(shù)G=6.674 × 10^-11 (m ^3· kg ^-1· s ^-2),太陽(yáng)質(zhì)量為1.9885×10^30 (kg),光速為:299792458 (m/s)。
將上面的數(shù)據(jù)代入公式,我們計(jì)算出M87*的事件視界半徑大約為192億公里。這與科學(xué)家們公布的M87*直徑大約為400億公里的數(shù)據(jù)相接近。
(黑洞陰影部分直徑是黑洞視界直徑的2.5倍,由此得出其視界直徑約為400億公里)
那么,如果將太陽(yáng)變成黑洞,它會(huì)有多大?根據(jù)公式計(jì)算的結(jié)果,“太陽(yáng)黑洞”的半徑大約有3千米。如果地球變成黑洞,它的半徑大約是8.7毫米;而“月亮黑洞”的半徑則只有0.11毫米。
一個(gè)原子大小的黑洞是怎樣的?
原子很小,它的直徑單位通常以“皮米”來(lái)計(jì)量。比如說我們熟悉的黃金,金原子的半徑為144pm,也就是1.44 × 10^-10 m。
那么一個(gè)金原子大小的黑洞,它的質(zhì)量到底有多少呢?我們將其代入史瓦西公式:R = 2GM / c2
最后得出的結(jié)果是 M=9.7 × 10^16 kg。
也就是97萬(wàn)億噸!這至少是喜馬拉雅山脈的質(zhì)量的兩倍。
(喜馬拉雅山脈的一部分)
這個(gè)黑洞如果距離我們10米遠(yuǎn),它的引力有多大呢?
我們請(qǐng)出萬(wàn)有引力公式:F = GMm/r2
這里G是引力常數(shù),G = 6.67×10^-11 N·m2/kg2,M=9.7 × 10^16 kg,m設(shè)為100kg(一個(gè)大胖子的質(zhì)量),r = 10m
代入公式后,我們得出 F= 64700 N = 6602 千克力
看起來(lái)很可怕。因?yàn)檫@是距離10米遠(yuǎn),如果這個(gè)黑洞在胖子的手上,它會(huì)被瞬間撕碎并吸入黑洞!
如果這個(gè)黑洞不蒸發(fā),它掉在地面上,它會(huì)迅速將周圍的一切都吸進(jìn)去并墜入地心,同時(shí)一點(diǎn)一點(diǎn)地把地球吞吃掉,最后變成一顆手指頭大小的黑洞。
但是且慢!
宇宙中真有這么小的黑洞嗎?
并沒有。
科學(xué)家們說,黑洞是由超級(jí)恒星在燃燒完它核心中所有的氫燃料后發(fā)生超新星爆炸而形成,或者,當(dāng)兩顆中子星相互撞擊合并、合并后的中子星發(fā)生重力坍塌也可能變成黑洞。也就是說黑洞有一個(gè)最小的質(zhì)量,這個(gè)最小的質(zhì)量至少是太陽(yáng)質(zhì)量的3.8倍。
也就是說,題目中所假設(shè)的原子大小的黑洞并不存在,因?yàn)槿魏我粋€(gè)黑洞的奇點(diǎn)都要比原子小許多,而宇宙中已知最小黑洞的視界半徑也要超出十幾公里。所謂“原子大小”的黑洞僅僅是數(shù)學(xué)上的存在罷了。
因此我們完全沒必要擔(dān)心它。
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