世界不思議

黑洞的密度可以比空氣低:我們可能就生活在黑洞中?


黑洞,在通常的認識里,是一種密度極大的天體,其引力可以吞噬周圍的一切,這種巨大的引力場甚至連光都無法從其表面逃逸出去。

但事實上,只要黑洞的質量足夠大,它的密度可以很低。

但要強調的是,處於穩定狀態的黑洞的結構,一般認為是由質量巨大的中心與周圍空無一物的天區構成。在這個天區內的一定範圍內的逃逸速度需要超過光速,因而光也無法逃脫,是難以觀測到的,被稱為「視界」。對於中心結構(通常認為是一個奇點),討論其密度沒有意義。所以這裡所談的「密度」,就是指整個視界內的物質的平均密度。

在保證逃逸速度一定的情況下,物體的質量要與其半徑成正比,黑洞當然也不例外。所以,如果物體的質量一定,就可以計算出其要形成黑洞的半徑會是多大——這個半徑被稱作史瓦西半徑。

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由於史瓦西半徑與質量成正比,這就意味著:如果黑洞質量增大為原來的2倍,那麼其半徑就可以變成原來的2倍,因而體積會變為原來的8倍大,但密度=質量/體積,所以密度就可以降為原來的四分之一。

現在就可以明確,黑洞的質量越大,其密度就可以越低。而且由於其半徑也會變大,會導致其視界周圍的潮汐力變弱,所以,對於那些超大質量黑洞,你在其邊緣旅行時可能並不會感到過於巨大的潮汐力,只是在深入其中的過程中潮汐力才會越來越大,在接近其中心的過程中,你才會有被撕碎的危險。

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按照上面談到的計算方式,粗略估算就可以知道,當黑洞質量在4億個太陽質量以上時,其平均密度就可以比水還要低了。黑洞質量如果再大,到達太陽的100億倍的話,其半徑就可以與銀河系的數量級相當,平均密度甚至就和空氣差不多了。

繼續推演的話,就會有一個有趣的結果:當黑洞的質量與宇宙總質量相同時,其史瓦西半徑恰好也和目前觀測到的宇宙半徑相當。所以有科學家推導了一個「黑洞宇宙模型(black hole cosmology)」,認為整個宇宙就可以看作是一個巨大的黑洞,而我們就活在這個黑洞的視界之中。不過,這並非主流觀點。

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