宇宙交響曲之黑洞

這個宇宙是獨一無二的,還是存在許多個人類目前無法看到的宇宙?人類有些科學家認為可能存在著許多的宇宙,這些宇宙集合稱為多元宇宙。多元宇宙的結構可能類似於一個非常巨大的泡泡堆,也許其中的一些宇宙還沒有膨脹,也許一些宇宙可能存在與我們這個宇宙不同的物理定律或維度。不過,從理論上講,兩個宇宙之間可能是通過一個旋轉的黑洞相連接。既然人類目前還不完全知道這個宇宙奧秘,既然無法看到其它宇宙對我們這個宇宙的影響,所以人類目前只是猜想,還無法證明多元宇宙的存在。

宇宙交響曲之黑洞

鑑於宇宙星河的寬廣,距離的非常之遙遠,一些科學家認為,要進行超距(偽超光速)航行,也許可以藉助大型蟲洞或黑洞。黑洞是宇宙空間存在的一種密度無限大體積無限小的天體,黑洞的引力很大,一旦進入“視界”,即使光也無法逃脫,黑洞只進不出。一些科學家提出白洞理論,認為白洞會噴射物質,它只出不進,不能吸收外部區域的任何物質和輻射,是一個只發射、不吸收的宇宙天體,這些科學家認為白洞來源於整個宇宙大爆炸的不均勻性,是宇宙大爆炸的一種“延遲核”。假如這些理論是正確的,那麼我們可以充分想象一下,宇宙空間充滿很多黑洞、白洞和蟲洞,蟲洞連接著很多黑洞和白洞。黑洞和白洞就像一根“管道”的兩頭,蟲洞就是連接黑洞和白洞的“管道”。進入黑洞的物質,最終會通過蟲洞從白洞出來。因為黑洞的引力很大,能將空間進行卷曲,造成蟲洞這根“管道”也是彎曲的,如果黑洞質量越大,則蟲洞直徑和長度越大。蟲洞與黑洞、白洞的接口是一個空間管道和兩頭空間閉合區的連接,在接口處,空間曲率並不是無限大,因而可以安全的通過蟲洞,而不被巨大的引力摧毀,這樣就可以實現曲率超距航行。假如一個天體的密度為核密度(相當於中子星密度,約每立方厘米15億噸),而其總質量在太陽質量的三倍左右,該天體就會被壓縮到小於其史瓦西半徑,形成一個“恆星黑洞”,一個靜態的史瓦西黑洞。

宇宙交響曲之黑洞

史瓦西黑洞就是所謂的“尋常黑洞”。它是直接由較大的恆星演化而來的。恆星到晚期時核燃料消耗殆盡,輻射壓(光壓)急劇減弱,星體在其自身引力的作用下坍縮。若質量(指原恆星的質量)大於3倍的太陽,其產物就是黑洞。在宇宙空間裡,此類黑洞具多數,其最大質量一般不超過50.2倍的太陽。

相比於靜態的史瓦西黑洞,旋轉黑洞,也就是克爾黑洞,更接近於實際物理上的黑洞,因為大多數恆星都具有一定的自轉角動量,當它們坍縮成黑洞時仍然會保留部分角動量。

克爾黑洞是指不隨時間變化的繞軸轉動的軸對稱黑洞。這類黑洞的中心是一個奇環,有內、外兩個視界。內視界為黑洞奇異性的界限,而外視界則為不可逃脫的界限。這就意味,一旦你落入外視界,你不會立即被黑洞的種種奇異性摧毀,但此時你將會不可避免地落入內視界。兩界面僅在兩極處相切。除去兩視界外,克爾黑洞的最外圍還有一個界限稱為靜止界限(簡稱靜界)或無限紅移面。靜界產生於克爾黑洞的參考系拖拽效應,通俗地講,就是克爾黑洞旋轉時拖動著周圍的時空一起轉動。

在克爾黑洞的最外層,由於旋轉會產生對周圍時空的拖曳效應,存在著一個判斷物體是否可以靜止於時空中的靜止界面。在這個界面內部,和靜態的史瓦西黑洞一樣存在著視界,但是要比史瓦西視界更加複雜,因為在這裡,視界分為內視界和外視界。外視界是物體能否與外界通訊的分界面,而內視界是奇點的奇異性質能否影響外界的分界面。在克爾黑洞中,外視界會由於角速度的增大而縮小,而內視界會隨著角速度的增大而增大(想一下牛頓引力定律和角速度的綜合應用產生的在軌道上運動的物體的受力變化就可以明白了)。當內、外視界重合的時候,兩層視界會同時消失,將一個裸露的奇點展現在宇宙時空中。

克爾黑洞旋轉所造就的克爾時空,它由向過去和將來都無限重複的方塊組成。黑洞有無數個外部宇宙和無數個內部宇宙!外部宇宙以零無限和視界為邊界。每個內宇宙都有一個奇點並被分成幾個區域。旋轉黑洞有一個包圍著中心奇點的內視界。每越過一個視界,時間和空間就互換方向,在從外部宇宙到奇點的途中會出現兩次換向,於是,在內視界以內時間和空間的方向與黑洞外面正好一樣。

宇宙交響曲之黑洞

人類一直都認為黑洞是一毛不拔的吝嗇鬼,只進不出。但是,人類發現,軸對稱旋轉的克爾黑洞似乎和靜態的史瓦西黑洞不同。當黑洞的旋轉速度越快時,其動圈層變得更大,允許伽瑪射線逃逸黑洞,因此黑洞是個天然的極端物理實驗室,有更多的宇宙奧秘可通過觀測黑洞獲得。

科學家想到了利用彭羅斯過程,可從旋轉的黑洞中提取能量。

克爾黑洞在外視界和靜止界面之間,有一個相對十分廣闊的區域,叫“能層”,意思就是能夠從中提取能量的一層。克爾黑洞的能量組成有兩部分:質量對應的引力勢能和轉動對應的轉動動能。所能提取的是轉動能。提取轉動能方法是派飛船進入能層,然後朝黑洞轉動方向的反方向扔下一個重物,然後快速離去。

這個過程會使黑洞轉動的角動量降低,減少的部分轉移到飛船上,另外,轉動量也降低,這部分能量也轉移到了飛船上,這就從黑洞中提取了能量。不過,黑洞也不吃虧,它雖然失去了轉動能(角動量),但是得到了一大塊物質。黑洞並不在乎轉動能(角動量),它在乎的是視界的面積。

黑洞進行的任何活動都保持視界面積只增加不減少,上述過程能夠使視界面積增加。所以從理論上,可以在克爾黑洞靜止界面外建立一個空間站,然後利用拋物投射來提取黑洞的旋轉能,這樣可從旋轉的黑洞中提取幾乎無窮盡的能源(因為大型黑洞的壽命幾乎可以肯定比質子的壽命長)。


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