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黑洞逃逸速度需大于光速,宇宙物体无法超越光速

时间:2023-09-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:最大的逃逸速度,是挣脱黑洞的速度,要大于光速。因为宇宙中没有任何物体的速度超过光速,这表明,包括光在内的任何物质和辐射只要进入黑洞的“视界”,都有去无回。孙悟空以接近光速飞行而不能挣脱如来的手心,表明如来实际上是营造了一个指尖上的、相当于“黑洞”的引力场,而并非其手掌大到没有边界。

黑洞逃逸速度需大于光速,宇宙物体无法超越光速

小说西游记》第七回中,孙悟空第二次大闹天宫,铁棒指处,众神披靡,玉帝遂遣使往灵山胜境搬请佛祖如来相助。如来与孙悟空赌赛,如果悟空一个筋斗能翻出他的手掌即为赢,彩物为一套大房子:“不用动刀兵苦争战,就请玉帝到西方居住,把天宫让你;若不能打出手掌,你还下界为妖,再修几劫,却来争吵。”

书中这样描述赌赛:“如来伸开右手,却似个荷叶大小。那大圣收了如意棒,抖擞神威,将身一纵,站在佛祖手心里,却道声:‘我出去也!’你看他一路云光,无影无形去了。”众所周知,光速为三十万千米/秒,孙悟空所驾的“筋斗云”速度为十万八千里,一个筋斗须臾间就可完成,因此其速度惊人,与光速相去不远。但是纵然悟空飞驰电掣,如“风车子一般相似不住,只管前进”,最终却没能翻出如来的手心,其原因何在?书中对种种神异技能和法宝的来龙去脉均有所交代,能给出相对“合理”的解释,比如说避水诀之于避水,避火诀之于避火,定颜珠之于肉身不腐,定风珠之于避风,芭蕉扇之于灭火,运用三昧真火锻成的金刚之躯之于刀枪不入,等等,唯独对赌赛中的玄妙未给出提示。

曾有众多“西游迷”求索这一问题。有人将其归因于如来佛的手掌巨大,但书中明确交代了只有“荷叶大小”;有人将其归因于如来佛设置了幻象,但是悟空分明修炼得火眼金睛,以善能识别假象著称,而且手指上的尿渍和“齐天大圣到此一游”的字迹,表明飞行阶段真实地处于手掌的空间;更有读者脑洞大开,认为尿渍和字迹是悟空返回途中,如来匆忙在手指上做的假,从而联想到悟空应该写长篇大论,例如就“上前一小步,文明一大步”敷衍成万字长文云云……总而言之,这一问题似乎无从索解,“孙猴子跳不出如来佛的手掌心”以谚语的形式成了定论。

按照书中设置的前提条件,似乎可以将这一疑问简化为一个现代物理学问题,即在一定空间内,何以物体以接近光速在其中飞行而不能挣脱。并且刘慈欣先生所著的科幻小说《三体》第三部“死神永生”中,有处情节可以对解答这一疑问带来一些启示。

小说中摹画了人类世界、地球,以及整个太阳系遭遇的末日场景:某外星高级文明飞行器上一名居于最底层位置的“清理员”,承担他们所认为的微不足道的“清理工作”——清除宇宙中已经发展出高级文明的其他星球,在不经意一瞥中看到了已经被摧毁的三体行星的残迹,进而注意到曾与三体行星有过通讯联系的地球,在百无聊赖中想顺便清理掉,于是他哼着歌曲,用“力场触角”拿起用于清理的武器——“二向箔”,漫不经心地掷向太阳系

根据书中描述,二向箔是“长方形膜状物,长八点五厘米,宽五点二厘米,比一张信用卡略大一些,极薄,看不出任何厚度,表面呈纯白色,看上去就是一张纸条”。这其实是一小片被封存的二维空间,将引发整个太阳系不可逆转地从三维向二维跌落,在八到十天内变为一幅巨大的、厚度为零的图画。人们试图驾驶飞行器逃离跌落区,但是“逃离,就像在瀑布顶端附近的河面上划船,除非超过一个逃逸速度,否则不论怎样划,迟早都会坠入瀑布,就像在地面向上扔石头,扔多高总会落回来”。书中设定的逃逸速度为光速,当时人类尚未开发出光速引擎,纵然飞行器全力加速,但无法挣脱跌落区的束缚,纷纷跌落并融入画中,末世降临。

这一诡奇的情节或许是所有科幻小说中最为沉重、最为绝望、最让人有无力感的场景,像几句歌词写到的:“……世界是如此的小,我们注定无处可逃。”其后果也可能很严重,据报道已有外国读者因此如书中的主人公罗辑那样患上“星空恐惧症”:“……他知道,从这一刻起,星空在自己的眼里已经是另一个样子,他不敢再抬头看了……”(www.xing528.com)

虽然上述情节在很大程度上基于科学幻想,但对逃逸速度的描述与物理学理论不悖。逃逸速度指的是某个物体能摆脱某个引力场的引力束缚,飞离这个引力场所需的最低速率。不同引力场的逃逸速度不同,比如说地球的逃逸速度为11.2千米/秒,也称第二宇宙速度。对照这一情节可见,按照现代物理学观点,“为何孙猴子跳不出如来佛的手掌心”这一问题,可以归因于筋斗云的速度达不到挣脱如来掌心的逃逸速度。

除了第二宇宙速度,物理学上还定义了第一、第三、第四宇宙速度。第一宇宙速度是指飞行器绕地球作圆周运动(如人造地球卫星)时必须具备的速度,又称环绕速度,为7.9千米/秒;第三宇宙速度又称脱离速度,是指在地球上发射的飞行器能摆脱引力束缚,飞出太阳系所需的最小初始速度,约为16.7千米/秒;第四宇宙速度是指在地球上发射的飞行器能摆脱银河系引力束缚,飞出银河系所需的最小初始速度。但由于人们尚未知道银河系的准确大小与质量,因此其数值只能粗略估算为110~120千米/秒。以上所说的宇宙速度,均指的是从地球上发射飞行器而言,如果从其他天体上发射,其数值则不同。比如说太阳的逃逸速度约为618千米/秒,就是说,假如在太阳上发射飞行器,它的速度至少须达到618千米/秒,才能脱离太阳的引力场。

最大的逃逸速度,是挣脱黑洞的速度,要大于光速。黑洞是现代广义相对论所认为的,宇宙空间内存在的一种超高密度的天体,其时空曲率大到光都无法从其“视界”(引力场的一个封闭边界)逃脱。因为宇宙中没有任何物体的速度超过光速,这表明,包括光在内的任何物质和辐射只要进入黑洞的“视界”,都有去无回。《三体》中所摹想的跌落区,由太阳系从三维跌落二维形成,厚度为零,因而拥有了超高密度,这或许是其引力场大小与黑洞相近的原因。孙悟空以接近光速飞行而不能挣脱如来的手心,表明如来实际上是营造了一个指尖上的、相当于“黑洞”的引力场,而并非其手掌大到没有边界。悟空受修为所限,即使重复赌赛,结局也无从改变。

黑洞想象图

人如果进入黑洞,会发生所谓的“意大利面条化”效应,这是由于人身体各处所受到的引力大小有差别而造成的,这种引力差称为潮汐力。假如一个人头朝上、两脚朝下飞向黑洞,由于脚离黑洞更近,它受到的引力将大于头部受到的引力,潮汐力将导致人被拉长、撕碎。而孙悟空由于曾偷吃太上老君的金丹,又被老君“运用三昧火,锻成一块,所以浑做金钢之躯”,因此虽然不能从如来营造的近似于黑洞的引力场中抽离,却能全身而返。

(本文发表于《中国科学报》2016年10月28日)

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