您的位置:首页 > 探索头条 > 正文

如果你掉进黑洞会发生什么?来看看科学家怎么说

2020/6/27 8:28:23 来源:原创 浏览:

假设我拥有一个合适的宇宙飞船和一种自我毁灭的冲动,我决定去进入黑洞,去一个不带电的、不旋转的黑洞(史瓦西黑洞)。在我掉进这个或是其他类型的黑洞里之前,我将无法看到事件视界内的任何东西。但是,当我到达那里时,它看起来并不是一个很特别的地方,只是我会看到周围天空因光线的弯曲而出现奇怪的扭曲。但一旦我失败,我就注定完蛋了。没有引力能帮到我,因为引力不能阻止注定会发生的事,我最终不得不撞上奇点。在我到达奇点之前,由于时空的弯曲,会有巨大的潮汐力将我和我的飞船挤压到某个方向,并在另一个方向拉伸,直到我看起来像一根意大利面。在奇点处,现在所有的物理学对将要发生的事都是没有用的,但我不在乎,我肯定会死的。

黑洞模拟图像 来源: kuaibao

对于一些太阳质量的普通黑洞来说,在视界之外有很大的潮汐力,所以我甚至可能无法活着进入黑洞。例如,对于一个8个太阳质量的黑洞,潮汐致命的r值大约为400公里,而史瓦西黑洞的半径仅为24公里。但潮汐应力与M/r3成正比。因此致命的r是质量的立方根,而黑洞的史瓦西半径与质量成正比。所以对于大于1000个太阳质量的黑洞,我可能会活下来,而对于更大的黑洞,我甚至可能在穿越地平线并进入黑洞之前都不会注意到潮汐力。

你会不会永远困在黑洞里?黑洞会不会永远存在?这没有任何有用的意义。在我到达事件视界之前,甚至在我到达奇点之前,用史瓦西公式在我的时间线上的度量计算的“本征时间”是有限的。坍塌的恒星也是如此:如果我以某种方式站在恒星表面等它坍缩成为黑洞,我将在有限的时间内经历恒星的消亡。

可能会被潮汐力撕裂的宇航员 来源:163

当我掉进黑洞时,在我的时间线上,当我穿过事件视界时,史瓦西坐标t变成无穷大。不过,这并不符合任何人的本征时间,它只是一个称为t的坐标。事实上,在事件视界内,t实际上是一个空间方向,而未来则对应于r的减小。它只是在黑洞外,甚至没有指向时间增加的方向。这并不意味着我要花很长的时间来适应,因为本征的时间是有限的。

在很长的距离内,t确实接近某个人相对于黑洞处于静止状态的本征时间。但是没有任何非任意的意义,在较小的r值下,你可以称t为“一个遥远的观察者的本征时间”,因为在广义相对论中,没有坐标独立的方式来表示两个遥远的事件“同时”发生。任何观察者的适当时间只是局部定义的。

一种更具物理意义的说法是,通过观察出现的光线的路径,事物会永远陷入其中。在相对论中,视界被称为“类光表面”,光线可以留在那里。对于一个理想的史瓦西黑洞(我在这一段中正在考虑)来说,地平线是永远存在的,因此光线可以在那里停留而不逃逸。(如果您想知道这与光必须以恒定速度c传播这一事实是如何相协调的,那么,地平线正在以c传播!GR的相对速度也仅在局部明确定义,并且如果您在活动中 您一定会落入地平线;它以光速射向您。)直接从地平线外向外射出的光束直到t的后期值才逃逸到很远的地方。对于距离黑洞很远且与黑洞大致处于静止状态的人来说,坐标t确实与适当的时间很好地对应。

所以,如果你从安全的距离观察,试图目睹我掉进洞里,你会看到随着光线延迟的增加,我摔倒得越来越慢。你永远也看不到我真正到达事件视界。我的手表,对你来说,会越来越慢,但永远也达不到我掉进黑洞时看到的时间。请注意,这实际上是由光线路径引起的光学效应。

对于垂死的恒星本身也是如此。如果你试图目睹黑洞的形成,你会看到恒星的坍缩越来越慢,从来没有精确到史瓦西半径。

人类拍摄的第一章黑洞照片 来源: zcool

现在,这导致了黑洞的早期图像是一种奇怪的悬浮动画物体,一个“冻结的恒星”,有固定的下落的碎片,思想实验的宇航悬员在它上面,以永远减慢的下落。然而,这并不是你所看到的。原因是,当物体接近视界时,它们也会变暗。它们发出的光会发生红移和变暗,如果你认为光实际上是由离散的光子组成的,那么最后一个光子的逃逸时间实际上是有限的,而且不是很大。因此,当它们靠近时,包括垂死的恒星在内的物质会消失,因此“黑洞”这个名字是合理的。

以之前提到的8个太阳质量黑洞为例。如果从你看到距离视界半个史瓦西半径的物体的那一刻开始计时,从那时起,光线将以约0.2毫秒的本征时间呈指数方式变暗,而最后一个光子的时间大约是百分之一秒。时间的比例与黑洞的质量成正比。如果我跳进一个黑洞,我不会在很长时间内保持可见。

而且,如果我跳进去不会撞到“冰冻恒星”的表面,它会在时空中的另一个点穿过视界。

(有人指出,我真正进入事件视界的时间要比简单的计算要早一点。原因是我在黑洞中的加入增加了它的质量,因此在有限的史瓦西坐标系下,将视界移到我周围。这实际上并没有改变外部观察者是否看到我通过的情况,因为事件视界仍然是像光一样的;在事件视界或其内部发出的光永远不会逃逸到外面,而在事件视界之外发出的光到达观察者需要很长的时间,比如,从观察者看到我在黑洞外经过半个史瓦西半径时开始计时。)

所有这些并不意味着黑洞也不能用于时间性技巧,就像“孪生悖论”在这个常见问题中提到的其他地方。假设我没有掉进黑洞,而是停下来,在视界外以恒定的r值等待,燃烧大量的火箭燃料,以某种方式让我可以承受住巨大的压力。如果我回到家,我会比你老。在这种情况下,广义相对论可以说明我们两个人在适当时间的不同,因为我们的年龄可以在旅程的开始和结束时进行局部比较。

你能看到宇宙末日吗?

如果一个外部观察者看到我在坠落时逐渐减速,那么我可能会看到宇宙在逐渐加速,当我穿过地平线时,我会看到宇宙在壮观的闪光中结束,这似乎是合理的。但事实并非如此。一个外部观察者看到的东西取决于我所发出光会做什么。然而,我所看到的,取决于光在到达我面前的作用。我不可能从遥远的未来事件中得到光明。在任意遥远的未来发生的遥远的事情永远不会在我的“过去的光锥”上结束,那是在给定时间到达我的光线构成的表面。

至少,这是一个不带电、不旋转的黑洞的故事。对于带电或旋转的黑洞,情况就不同了。

在理想化的解决方案中,这些洞可以包含“类时间的虫洞”,这些虫洞可以有效地作为通向不相连区域的大门,不同的宇宙。我可以穿过虫洞,而不是撞到奇点。但是在虫洞的入口,作为一种内部事件视界,一个无限的加速效应确实发生了。如果我掉进虫洞里,我会看到外面宇宙的整个历史一直演到最后。更糟糕的是,随着图像速度的加快,光线变得蓝移,更加充满活力,因此当我进入虫洞时,会发生“无限蓝移”,这会使我受到强烈的辐射。显然有充分的理由相信,无限的蓝移将危及虫洞本身,取而代之的是一个奇点,其危害性不亚于我设法错过的奇点。无论如何,这将使虫洞旅行成为一项具有可疑实用性的事业。

虫洞示意图 来源:163

霍金辐射怎么办?在你到达那里之前黑洞不会蒸发吗?

(首先,需要给你一个提醒:关于蒸发黑洞的真正理论并不多。以下大部分是从Wald的GR文本中的信息推断出来的,但是真正发生的事情,特别是当黑洞变得非常小的时候,还不清楚。因此,对下面的内容要有所保留。)

简言之:不会的。这需要一些详细说明。

从热力学的观点,史蒂芬·霍金认识到黑洞应该有一个非零的温度,因此应该发射黑体辐射。他最终找到了一个量子力学机制。可以说,黑洞应该非常非常缓慢地通过辐射损失质量,这种损失随着黑洞变小而加速,最终在辐射爆发中完全蒸发。对于外部观察者,这是在有限的时间内发生的。

我刚才说过,外部观察者永远不会观察到一个真正进入地平线的物体!如果我跳进去,你会看到黑洞从我下面蒸发出来,让我完好无损,但在很远的将来会因为引力时间膨胀而陷入困境吗?

电影《星际穿越》中的黑洞 来源:baidu

你不会的,原因是上面的讨论只适用于一个没有因蒸发而收缩为零的黑洞。请记住,我的坠落速度明显减慢是由于在视界附近发出的光线路径。如果黑洞真的蒸发了,那么由于接近视界而导致的逃逸光延迟只能持续到视界消失的时间!当我坠落时,考虑一下你对我的外在看法。

如果黑洞是永恒的,那么发生在我身上的时间(通过我的手表)会越来越接近我坠落的时间(假设你的视力不受光子的离散性或红移的限制)。

如果黑洞是致命的,你会看到这些事件发生的时间越来越接近黑洞蒸发的时间。返推,你就会计算出我穿越事件视界的时间,就在洞消失的那一刻!(当然,即使你能看到我,图像也会被蒸发的洞里的所有辐射淹没。)不过,我自己不会经历那场灾难;我会穿过地平线,只留下我的光。就我而言,我可怕的命运不受蒸发的影响。

当然,所有这些都假设你能看到我。实际上,最后一个光子的时间早就过去了。此外,当黑洞缩小为零时,还有霍金辐射的明亮背景。

(考虑到我不会进入这里,一些物理学家认为黑洞不会完全消失,会留下一个残洞。现在的物理学并不能真正决定这个问题,就像它不能决定奇点到底发生了什么一样。如果有人能计算出量子引力,也许这能提供一个答案。)

本文章信息来源:

有关致命半径、暗化和最后一个光子的时间的数字来自米斯纳、索恩和惠勒引力(旧金山:W.H.弗里曼公司,1973年),第860-862页和第872-873页。第32章和第33章(IMHO,这本书最好的部分)对我描述的一些现象有很好的描述。

关于蒸发和虫洞的信息来自罗伯特·沃尔德的广义相对论(芝加哥:芝加哥大学出版社,1984)。413页上著名的蒸发孔共形图解决了科学物理中的几个争论(尽管它的准确性受到质疑)。

史蒂文温伯格的引力和宇宙学(纽约:约翰威利和儿子,1972)为我提供了历史日期。第八章讨论了Schwarzschild解的一些性质,第十一章描述了引力坍缩。

作者: math

FY: SpaceTraveler(高一民)

如有相关内容侵权,请于三十日以内联系作者删除

转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处

文章来源网络,版权归属原作者,未注明作者均因传阅太多无从查证。本站为公益性非盈利网站,在本网转载其他媒体稿件是为传播更多的信息,此类稿件不代表本网观点。如果本网转载的稿件涉及您的版权、名益权等问题,请尽快与我们联系,我们将第一时间处理!
  • 一颗濒死的恒星能还能支持绕着它运行的行星吗?

    天文学家们发现了一颗巨大的行星,它围绕着一颗正在死亡的微小恒星运行着。这对奇特的组合让我们得以一窥太阳系的未来。太阳是地球上生物的主要来源,但它只会维持到恒星本身的还活着的时候。在大约50亿年后,太阳将耗尽氢,其质量将下降到其核心的质量。这个燃烧殆尽的核心被称为白矮星,是一颗体积小、密度大、温度极高

  • 520我在北纬30度等你

    北纬30°线一条能引起人们极度关注的地带存在着许多令人难解的神秘怪异现象北纬30°传说中地球“秘线”北纬30°,这是一条神秘而又奇特的纬线这里有神秘莫测的百慕大三角著名的埃及金字塔让人叹为观止的玛雅文明那些熟悉抑或陌生的地方那些引人无限遐想的地方,激发无数探险者前往百慕大三角奇艺无止境TheBerm

  • 宇宙怎么可能同时是平坦的又是球形的呢?

    宇宙怎么可能同时是平坦的又是球形的呢?如果宇宙大爆炸把所有的物质和能量同样地送往各个方向,那么宇宙的形状一定是球形的。但这一直觉上矛盾的事实怎么可能存在呢?首先我们应该重申一下我们讨论的理论本身这个事实,对吧?我们付出很多努力去证明所有存在的理论,但是在理论变成最终答案之前仍然有很多方面需要讨论(和

  • 科学家们如何发现类地行星,又如何观测,获取准确的观测模拟数据

    仰望星空,你会看到美丽的星辰大海。随着科学技术越来越发达,我们的天文望远镜能够观测到更远的宇宙,我相信所有人都和我有一个共同的想法,那就是在遥远的天边是否有着同样的望远镜在观测着我们这边的星空?如果是的话,他们长什么样子?他们是人类吗?他们的科学技术是否已经达到了窥探宇宙的境界?我们居住在一个庞大的

  • 麻省理工学院开发海洋搜救算法 有助于寻找失踪的物体和人员

    大海浩瀚无边,要想在其中找到失踪的物体和人,可能会很困难。为了帮助搜救任务,麻省理工学院开发了一种新的算法,可以帮助识别海洋中隐藏的陷阱,即漂浮物可能聚集的区域。研究人员表示,这种方法可以帮助快速识别出物体和失踪人员可能聚集的区域。麻省理工学院的科学家们与来自瑞士联邦理工学院、伍兹霍尔海洋研究所和弗

  • 宇宙可以从无数次大爆炸和收缩的循环中生存下来

    如果时间、空间所包含的一切都是由宇宙大爆炸开始的,那么在大爆炸发生之前宇宙是一种什么样的状态呢,如果宇宙不断扩张,它会膨胀到什么程度,膨胀有可能会停下来吗,对于宇宙的了解虽然是少之又少,但是科学的力量还是挺有用的,通过科学家的不懈努力目前确实已经有了一些理论来证明目前我们对宇宙的观测方向和总体大纲是

  • 地球上最后的超级大陆是如何分裂成今天的世界的?

    盘古大陆盘古大陆是地球上最后的超级大陆,它是所有主要地块的巨大混合体。在盘古大陆开始解体之前,我们今天所知道的加拿大的新斯科舍省和摩洛哥是邻居,而纽芬兰岛曾与爱尔兰和葡萄牙相连。大约2.5亿年前,盘古大陆还在拼接在一起,还没有被地质力量撕开,形成了我们今天所知道的大陆。多年来,地质学家们一直在思考,

  • 天文小科普:什么是小行星?

    虽然地球上有许多人准备迎接新年,但美国国家航空航天局(NASA)距地球7000万英里(1.1亿公里)的“奥西里斯-REx”宇宙飞船在8秒内完成了一次推进器的燃烧,打破了太空探索记录。飞越贝努(Bennu)的北极。资料来源:美国国家航空航天局/戈达德空间飞行中心/亚利桑那大学。航天器绕小行星贝努(Be

  • 研究发现欧洲棘刺龙虾发出的声音可在2英里外的地方被听到

    据外媒报道,一种小得惊人的海洋生物被记录下来,它发出的声音在水下2英里(3千米)远的地方就能被探测到。一支由法国和美国研究人员组成的团队为了聆听欧洲棘刺龙虾的声音在浅水区部署了一组水听器。据了解,这种龙虾会用部分触须摩擦眼睛下方的“锉刀”从而发出一种被称为触角锉的声音。科学家在距离法国海岸328英尺

  • 在1.1万年前的古建筑群中,科学家找到了精妙的几何结构,神奇

    毫无疑问,金字塔是当今世界上最神秘的古代建筑之一。这些高耸的巨大建筑不仅体现了当时古埃及人惊人的建造能力,而且其中蕴含的神秘数学、地理数字,也让人瞠目结舌。不过,就在最近,考古学家们发现了更早的古人对数学深刻理解的真实体现。在土耳其,一座11000年前的古老建筑,让我们见识了那个时期人类的惊人智慧。