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地球中心的重力为0,为什么黑洞不是呢?

2020-12-07 09:41 作者:天文在线  | 我要投稿

有少数人认为,当超大质量的物体形成时,质量会迁移到一个球壳上,大约在事件视界的位置。例如[1303.5604]具有反重力的超大质量星系中心。

             

这里所有讨论空心物体内部重力的答案,我觉得它们都有点误导人。在一个质量均匀的球壳内,重力加速度处处为零,不仅仅是在中心。这叫做牛顿壳层定理。

然而,外壳的任何不均匀性都会对内部物体的外壳产生外部吸引力。

             

这个结果是我使用离散质量元素,试图借助计算机程序模拟空间中物体的分布时偶然发现的。即使有成千上万个物体,效果依旧明显,而且它与粒度成比例。

当黑洞开始形成时,事件视界的时间膨胀到极端,所以它上面的物体实际上就像是被冻结在那里。如果这些物体到达视界,由于熵,它们会被均匀地同质化,但实际上它们在我们感兴趣的任何时间段都没有到达视界。因此,黑洞可能会有一些不均匀性,特别是对于一个由坠落的恒星形成的非常大的黑洞。

             

当黑洞的形成暂停了,它可能有一个粗糙不平的外壳。这可能会吸引中心物质向外,将物体吸空,使其成为一个真正的“洞”。

这就意味着如果“洞”周围的质量不是均匀的,就不会产生奇点。

你可能以为自己对黑洞有一些了解,但实际上是你从来都不了解。

             

地球的中心真的没有重力吗?实验表明并非如此。如果我们取一个质量相等且中空的完美球体,那么物体中心受到的力是多少呢?如果中心没有重力(没有净重力),那么问题来了:为什么?是因为有一个力把空心部分推到中心吗?还是因为有一个力把空心部分拉向中心呢?如果实心部分对空心部分施有压力,那么在球体表面我们应该会被推离,但事实并非如此。

             

因此,空心部分并没有被推向中心,而是被拉向中心的。为什么会这样呢?我们假设球体的直径为1000英里,空心部分的直径为100英里(半径为50英里)。此时,在距离中心40英里处有一个物体,那么其受力是怎样的呢?该物体在某一方向上距离实体部分(内表面)10英里,在其反方向则距离内表面90英里。来自90英里外的引力会大于来自10英里外的引力吗?为了把物体从10英里外的表面拉到90英里外的表面,需要90英里外的表面有更大的引力,因为物体是被拉的,而不是被推的。假设在整个球体中密度是相等的,那么会有什么导致90英里外的表面比10英里外的表面表现出更大的拉力呢?答案是,90英里以外的表面的引力较弱,因此物体会被拉向10英里以外的表面。

             

有一个实验证明了这种观察是有依据的。就像物体被引力牵引一样,钢铁也被磁铁牵引。钢铁不会因磁极偏离磁体而偏置,它可以被任何一个磁极吸引。这样,我们就可以把万有引力的原理应用到钢铁的磁引力原理中,来了解万有引力会如何表现。如果我们拿出一个环形磁铁,相当于把假设的球体切割成一个扁平的环,那么朝向内表面的力保持不变,除非净拉力主要是沿着x和y轴,而不是沿着x、y和z轴。

如果我们把一个钢的BB弹放在环形磁铁的中心,BB弹是会被拉到中心还是被拉向内表面呢?答案是,力总是朝向内表面,并非中心。这就成为了我们了解天球中心物体运动的线索。

             

这是唯一的实验吗?当然不。我们可以在无重力的大气中使用高粘度的流体,充入一个气泡后,观察其内部的微重力作用。如果流体的中心是密度最高的,那么它将迫使气泡排出,这是因为空气的密度比较小。为此,我们所要做的就是去油管(YouTube)观看在太空制作三明治的视频:

注意到蜂蜜罐里的气泡了吗?它总是移动到罐子的中心。这就说明蜂蜜的微重力始终将它推向中心位置。

             

地表下重力的变化方式与人们想象的不同,但是却更合乎逻辑。让我们重回最初的球体,如果中心的物体被内表面吸引,那么何时它才会停止呢?

要回答这个问题,我们得回到这一观点,即球体是由无数个壳层组成的。我们从两个角度来看:一是朝向中心的壳层净质量,二是朝向外部的壳层净质量。物体不再被从中心向外拉的那一点,就是壳层内部质量与外部质量相等的地方。在给定的模型中,密度处处相等,所以球体的总面积为:

 

A = (4 * PI * 250,000) - (4 * PI * 2,500) = 3,110,177 立方英里

 

壳层的外部质量与内部质量相等,两个部分的面积均为1555088立方英里。

 

(4 * PI * r^2) - (4 * PI * 2,500) = 1,555,088

12.566 * r^2 = 1,555,088 - 31,416

r^2 = 1,523,672 / 12.566

r = √121254 = 348英里

 

球体的半径是500英里(直径1000英里),这意味着来自表面的引力只会延伸到表面以下152英里(半径348英里处)的壳层。再深入一点便会产生一个朝向球体外部的合力。

现在让我们把这个理论应用到太空中的一罐蜂蜜上。为什么气泡会向中心移动呢?这是因为塑料罐的微重力和蜂蜜的微重力使得罐子中心的密度最小。

如果我们把球体半径358英里至338英里之间挖空,那么会发生些什么?它基本上是一个球体中的另一个球体,如果一个物体被放置在半径为348英里的壳层处会发生什么呢?因为物体朝向外部的质量就等于其朝向中心的质量,所以它就会悬浮。然而,一旦有任何偏移,无论朝向哪边,物体都会被拉向离它最近的表面。换句话说,想要一个物体因重力而悬浮,其标准是十分严格的。重力会把物体拉向它,而不是把它们推开。

这就引出了另一个观察:黑洞不可能像假设的那样存在,因为黑洞内部的引力并没有像理论中描述的那样表现。这就给了最初的那个问题致命一击。

作者: quora

FY: 忙碌的北門

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