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《黑洞与时间弯曲》人马

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经过20年的航行,飞船减速飞进了银河系中心。你远远看见气体和尘埃混合着从四面八方流向一个巨大的黑洞。卡丽丝调好火箭,将飞船带入视界上方的圆形轨道。你测量了轨道的周长和周期,把结果代进牛顿的公式,确定了黑洞的质量:100万个太阳质量,与谢切特黑洞图上说的一样。由于没有在下落的气体和尘埃里看到龙卷风似的旋涡,你推测黑洞不会旋转太快;视界应该是球状的,而周长一定是1 850万千米,是月球环绕地球轨道的8倍。

进一步检查下落气体后,你准备向视界靠近。为了安全,卡丽丝在你的太空舱和飞船主机DAWN间建立了激光联系。然后,你脱离飞船,调转太空舱,让它的喷气对着飞船轨道运动的方向;接着轻轻启动,使你的轨道运动慢下来,平稳地螺旋式地向里(向下)经过一个又一个圆形轨道。

一切都如预料的那样正常。但等到周长为5 500万千米的轨道——刚好是黑洞视界周长的3倍,火箭的推动却没有将你引入一个更小的轨道,而是要命地将你投向视界。你害怕极了,赶紧调转方向,以最大力量冲出来,回到5 500万千米以外的轨道。

“究竟出了什么事儿?!”你通过激光问DAWN。

“提克哈依,提克哈依,”她安慰你说,“你的轨道是根据牛顿的引力定律设计的,但牛顿的描述只是宇宙真实引力定律的一种近似。1在远离视界的地方,它是很好的近似,但在视界附近,它却糟透了。更精确的描述是爱因斯坦的广义相对论,在视界附近,它能以很高的精度与真实的引力定律一致。它预言,在接近视界时,引力作用会变得比牛顿预言的更强。为了保持圆形轨道,以离心力对抗强大的引力,你必须加强离心力,也就是说,你必须提高围绕黑洞的轨道速度:当你下落经过3倍视界周长的轨道时,你必须调转太空舱的方向,向前加速;如果你还向后减速的话,在你经过那个轨道时,引力将超过离心力,把你拉下去。”7

“该死的DAWN!”你想,“她总能回答我的问题,却从来不主动提出一些关键信息。我要犯错误时她从不警告!”你当然知道这是为什么。假如计算机都在我们犯错误之前提出警告,人类生活该是多么枯燥乏味!早在2032年,世界委员会就通过法案,在每台计算机里都植入霍布森障碍,2不许计算机警告。尽管DAWN也许很愿意警告你,但她实在不能克服霍布森障碍。

你压住怒火,调转太空舱,开始一系列的操作:向前加速,向下盘旋,进入内轨道;再向前,再盘旋,进入下一个轨道……从3个视界周长降到2.5,2.0,1.6,1.55,1.51,1.505到1.501到……太令人失望了!你越飞越快,轨道越来越小;在飞行速度接近光速时,你的轨道却只到1.5个视界周长。因为不能比光速更快,看来你没有希望靠这种办法走近视界了。

你又向DAWN求救,她一样安慰你,然后解释,1.5个视界周长以内根本没有圆形轨道。那儿的引力作用太强,没有离心力可以同它对抗,哪怕你以光速绕着黑洞旋转。DAWN告诉你,如果想走得更近,你必须放弃圆形飞行轨道,而应该直接朝视界落下去。靠火箭向下喷气,你可以避免灾难性的坠落。火箭的反冲力可以为你克服一些引力,让你慢慢落下,然后漂浮在视界上方,就像宇航员漂浮在月球上飞行的火箭里。

现在,你学会小心了。你问DAWN,这样持续强烈的火箭喷射会有什么后果?你解释说,你想漂在1.000 1视界周长的某个位置,在那儿,能经历视界的多数效应,而且还可以逃出来。“如果凭火箭支持太空舱,那么加速度的力量会有多大呢?”“1.5亿地球引力。”DAWN轻轻回答。

真令人泄气!你点燃火箭,盘旋着飞回了飞船。

好好睡一觉。醒来后,你拿广义相对论的黑洞公式算了5个小时,在谢切特黑洞图上找了3个小时,又与船员们讨论了1个小时,最后确立了下一步航行计划。

接着,船员把你在“人马”的经历传给世界地理学会(你们乐观地假定它还存在着)。报告最后讲了你的计划:

你的计算表明,黑洞越大,你漂浮在1.000 1视界周长上所需要的火箭动力越小。8为了不超过10个地球引力(这虽然也痛苦,但还能忍受),黑洞必须有15万亿(1.5×1013)个太阳质量。最近的这样的黑洞叫“巨人”,远在距我们10万(105)光年的银河系以外,也远在银河系围绕的1亿(108)光年的室女座星系团以外;实际上,它在类星体3C273附近,距银河系20亿(2×109)光年,大约是我们可以观测的宇宙边缘距离的10%。

船员在报告中解释,你的计划就是去“巨人”。前一半旅程以lg加速,后一半以lg减速,这样,在地球看来,旅行需要20亿年,而幸好因为有了速度产生的时间卷曲,你们在船上只需42年就够了。9如果世界地理学会不愿40亿年的漫长冬眠(飞船到“巨人”20亿年,信息发回地球20亿年),他们就收不到你们的下一次消息了。

[1] 见第2章。

[2] 16-17世纪英国租马房经营者霍布森(T.Hobson)规定租马不允许挑选;英语成语有Hobson/'s choice,指毫无选择余地的状态。这里说Hobson/'s block,大概意思是不可避免的阻碍。——译者