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环球科学诺贝尔物理学奖揭晓授予黑洞研究！霍金或与诺奖擦肩而过( 四 )


撕碎一切的潮汐力
通过塌缩 ， 产生黑洞的天体命运如何呢？假设它一直保持着精确的球对称性 ， 那么广义相对论给出的答案是戏剧性的 。 根据广义相对论 ， 在靠近中心时 ， 时空曲率会无限增大 。 在黑洞中心 ， 不仅组成天体的物质会被压缩到无穷大的密度——可以说被压碎至不复存在 ， 天体外的时空也会变得无限弯曲 。 如果有个倒霉的观察者愚蠢地进入这个时空区域 ， 那么无限大的时空曲率对他产生的效应会是灾难性的 。 作用在他身上的潮汐力会快速增长 ， 并在有限时间内（在他自己看来是这样）达到无穷大 。
引力潮汐效应是时空曲率最直接的物理表现 。 爱因斯坦指出 ， 在任意一点 ， 一个物体承受的引力都可以通过选择一个自由下落的参考系消除 。 他给出了一个著名的例子 ， 一台电梯缆绳断裂落向地面 。 电梯里面的乘客会以与电梯相同的速率下落 ， 他们感受不到引力作用 ， 处于失重状态漂浮在电梯中 。 现在 ， 这种通过自由下落消除引力在航天中是很常见的现象 。 然而 ， 潮汐效应无法这样消除 ， 因而它总会真实体现引力场的作用 。 想象一个观察者在地球引力场中自由下落 ， 他被分布在一个球面上的粒子包围着 ， 这些粒子起初相对于他是静止的 。 根据牛顿定律 ， 地球的引力场与地球和其他物体之间的距离的平方成反比 ， 物体距离地球越近 ， 承受的引力就越强 。 地球引力场的非均匀性会通过潮汐作用将粒子球变成椭圆球体 。 地球海洋的潮汐现象就是这种效应的一个例子；在这个例子中 ， 地球承受了月球的潮汐力 。
太阳系中的潮汐效应都比较弱 ， 最明显的效应就发生在地球表面 ， 主要源于地球的引力场 。 这些潮汐效应在实验室尺度根本察觉不到 。 换句话说 ， 地球表面的四维时空曲率在实验室尺度不显著 。 时空曲率的大小可以用曲率半径描述 。 时空曲率越小 ， 相应的曲率半径越大 ， 就像三维空间中 ， 球表面弯曲程度越小 ， 半径就越大一样 。 地球表面的时空曲率半径大约和地球到太阳的距离相当（这纯粹是巧合 ， 太阳和地球表面的潮汐效应无关） 。 所以地球没有使时空弯曲很多 。 太阳表面的潮汐效应更小 ， 因为太阳平均密度更低 。 实际上 ， 太阳表面的时空曲率半径大约是地球到太阳距离的两倍 ， 所以太阳表面的时空弯曲程度比地球表面小 。
在白矮星表面 ， 时空曲率要大得多：曲率半径和太阳半径的量级相同 ， 大约80 000千米 。 白矮星附近的潮汐效应对于围绕它运动的宇航员来说将是非常明显的 。 宇航员的头和脚将感到有方向相反的两股力在拉扯 ， 强度大约是他在地球上承受到的总引力的五分之一 。 而在中子星的表面 ， 潮汐效应是非常巨大的 。 这里的时空曲率半径只有约50千米 。 显然 ， 没有宇航员能在围绕中子星的低轨道上存活；即便他将身体蜷曲成一个球 ， 其身体各部分承受的引力仍然相差甚远 ， 大小差异可以达到地球表面重力的数百万倍 。
理论上 ， 可以建造出能够承受这样的潮汐力的设备 。 它们应该非常小巧 ， 以保证潮汐力也比较小 ， 因为物体承受的潮汐力与设备大小成正比 。 现在 ， 想象有这样一个设备落入一个质量等于太阳的黑洞 。 它在穿过事件视界时承受的潮汐力是中子星表面的30倍 。 不过 ， 这个设备有可能保持完好 ， 因为施加于各个零件的力可能仍然较小 。 在接近黑洞中心时 ， 潮汐力会快速增大 ， 撕碎组成这个设备的物质、组成物质的分子、组成分子的原子、原子中的原子核 ， 甚至组成原子核的基本粒子最终都会被撕碎 。 另外 ， 整个过程不超过数毫秒 。 这是一个时间反转的小尺度宇宙创生模型 。 宇宙学模型的 “大爆炸”源于时空曲率为无穷大的奇点 。 黑洞内部也会产生这样一个奇点 ， 但在时间上是反过来的 。
黑洞中的奇点
这个图景是否描述了自然中真实发生的现象呢？即使不考虑广义相对论是否正确 ， 科学家也还有很多其他疑虑 。 首先 ， 我们是否充分了解黑洞形成时那种极端高压下物质的性质 ， 从而让这些预言令人信服？如果没有精确球对称性的假设 ， 这些讨论是否依然成立？我们的黑洞理论是否与天文观测一致？接下来 ， 让我们依次考虑这些问题 。


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