宇宙如何使我们的生存成为可能?
你能想象在黑洞中坠落是什么样子
万物都会消亡,那时间本身会停止
科学家研究人的极限寿命有多长
科学家将原子放大1000万倍以后

你能想象在黑洞中坠落是什么样子吗?

2020-07-27 12:33 主页 来源:未知
你能想象在黑洞中坠落是什么样子吗?


宇宙破坏一样东西有很多令人恐怖的方法。如果你想在太空中屏住呼吸,那你的肺会爆炸;你呼出到空气中的每一个分子在几秒之内就变黑了。在有的地方热量从你身体跑出来的时候你就会觉得自己被冻住了;还有些地方太热了以至于你的原子会变成等离子体。但是,在宇宙处理人的所有方式中,没有什么能比把人送进黑洞里更让人着迷了。事件地平线望远镜科学家海诺·法克尔也这么觉得,他问:

掉进一个正在旋转的黑洞里会是什么样呢?这不能被观察出来,但是可以算出来…我和做过这些科学计算的人聊过,但是我老了,一直在忘事。

这是一个有趣的问题,也是一个可以用科学回答的问题。让我们来看看。

你能想象在黑洞中坠落是什么样子吗?

 

黑洞事件视界外的严重弯曲时空的插图。当你越来越接近质量的位置时,空间也变得更加弯曲,最终导致光无法从一个位置逃脱:事件视界。该位置的半径由黑洞的质量、光速和广义相对论定律单独设定。理论上来说,应该有一个特殊点,一个奇点,所有质量都集中在静止的球形对称黑洞上。(皮萨贝·约翰逊马丁)

根据我们的引力理论,爱因斯坦的广义相对论,只有三样东西决定黑洞的特性。它们如下:

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质量,或物质总量和同等能量(通过E = mc²)进入到正在形成或增长的黑洞中以形成当前状态

电荷,或存在于黑洞中的净电荷,来自其历史上所有落入黑洞中的正电荷和负电荷。

角动量,或旋转,这是黑洞固有的旋转运动总量的度量。

现实地讲,我们宇宙中所有物理存在的黑洞都应该有大质量、大量的角动量和可以忽略不计的电荷。这使事情变得极其复杂。

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当一颗足够大的行星结束它的生命,或两个足够大的行星残余物合并时,一个黑洞就形成了,其事件视界与其质量成正比,并形成围绕其坠落物质的吸积盘。当黑洞旋转时,事件视界内外的空间也会旋转:这是拖架的效果,对黑洞来说可能是巨大的。(欧空局/哈勃、埃索、M. KORNMESSER)

当我们通常想到一个黑洞时,我们想象出一种更简单的黑洞:一个仅由其质量来描述的黑洞。它有一个围绕单个点的事件视界,以及围绕该点的区域,光线无法逃离。该区域是完全球形的,并且有一个边界分隔光可以从它不能从无法逃离的区域:事件视界中分离。事件视界位于距离所有方向奇点相等的特定距离(施瓦茨柴尔德半径)。

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这是一个真实黑洞的简化版本,但是一个开始思考发生在两个不同位置的物理现象的好地方:在事件视界之外和事件视界内。

一旦你越过门槛形成一个黑洞,事件视界里的所有内容都会咬紧一个奇点,这个奇点最多是一维的。没有3D结构可以完整的存活下来。

事件视界之外,重力作用就像你平常期许的那样。空间是由这个质量的存在弯曲的,它使宇宙中的每一个物体都经历向中心奇点的加速。如果你开始远离这个黑洞,休息时,允许一个物体掉进黑洞,你会看到什么?

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假设你能保持静止,那你就可以看到这个坠落物慢慢的加速远离你,朝着黑洞前进。它会加速向事件视界,保持一样的颜色,然后后会发生一些奇怪的事情。它会慢慢减速、褪色,并慢慢变成红色。尽管它不会完全消失;不快、也永远不会。相反,它只会接近这种状态:变近,变红,更难检测。事件视界就像物体光的化毒剂;如果你足够努力,你总是能看到它。

这位艺术家描绘了一颗类似太阳的恒星在靠近黑洞时被潮汐破坏撕裂。以前坠落的仍然可见,尽管它们的光线会显得微弱和红色(很容易转移到红的,它们对人眼是不可见的),与它们穿过事件视界以来所经过的时间成比例。(ESO、欧空局/哈勃、M. KORNMESSER)

现在,想象一下同样的场景,但这次,不要想象你正在从远处观察坠落的物体。相反,想象你自己是坠落的对象。你的经历会非常不同。

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随着空间的曲率变严重,事件视界似乎比你预期的要快得多。在事件视界周围,空间是如此的扭曲,以至于你开始看到外部宇宙的多个图像,就像它们被反射和反转一样。

一旦你越过了事件视界,你不仅还能看到宇宙的外在,还能看到宇宙在事件视界中的一部分。你收到的光会变蓝,但随后又会变红,因为你不可避免地朝奇点而落下。在最后时刻,空间会显得异常平坦。

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其物理原理很复杂,但计算简单明了,科罗拉多大学的安德鲁·汉密尔顿在2000年代末至2010年代初的一系列论文中表现最为优雅。汉密尔顿还根据这些计算,创建了一系列壮观的可视化效果,这些可视化效果是当你掉进黑洞时所看到的。

从检查这些结果中我们可以学到许多教训,其中许多都是违反直觉的。尝试和理解它的方法是改变你可视化空间的方式。通常,我们认为空间是一种静止的织物,我们认为观察者被"推倒"在某处。但是在事件视界中,你总是在运动。空间从根本上是运动——就像移动的走道——不断地移动着其中的一切,向奇点移动。

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在事件视界内外,空间像移动的走道或瀑布一样流动,这取决于你要如何可视化它。在活动视界,即使你以光速奔跑(或游泳),也不会克服时空的流动,时空的流动会把你拖入中心的奇点。(安德鲁·汉密尔顿 / 吉拉 / 科罗拉多大学)

它移动一切的速度如此之快,即使你以无限力直接加速远离奇点,你仍然会朝中心坠落。来自事件视界之外的对象仍将有其光从四面八方与您相遇,但您只能从事件视界内看到部分对象。

当你落入黑洞或只是非常接近事件视界时,其大小和比例看起来比实际大小大得多。对一个外部观察者来说,看着你掉进去,您的信息就会在事件视界上被编码。当黑洞蒸发时,这些信息会发生什么事情仍然没有答案。(安德鲁·汉密尔顿 / 吉拉 / 科罗拉多大学)

其原因是宇宙本身始终处于运动状态的结构。在事件视界内,空间比光移动得快,这就是为什么没有什么能从黑洞中逃脱。这也是为什么,一旦进入黑洞,你开始看到奇怪的事情,如同一物体的多个图像。

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你可以通过问一个问题来理解这个问题,比如“奇点在哪里?”

从黑洞的事件视界中,如果你向任何方向移动,你最终会遇到奇点本身。因此,令人惊讶的是,奇点出现在所有方向如果你的脚直接指向你加速的方向,你会看到他们下面你,但你也会看到他们上面你。所有这一切都是直接计算,即使它非常违反直觉。这只是为简化的情况:非旋转黑洞。

2017年4月,与事件地平线望远镜相关的8个望远镜/望远镜阵列都指向了Messier 87。这就是一个超大质量黑洞的样子,在那里事件视界清晰可见。只有通过VLBI,我们才能达到构建这样的图像所需的分辨率,但有朝一日的潜力可以将其提高数百倍。阴影与旋转(克尔)黑洞一致。(事件地平线望远镜协作等)

现在,让我们来来一个物理上有趣的例子:黑洞在哪里旋转。黑洞的起源是物质系统,如恒星,它们总是在一定程度上旋转。在我们的宇宙中(和广义相对论中),角动量对于任何接近系统来说都是绝对保守的;没有办法摆脱它。当物质集合向下折叠到小于事件视界半径的半径时,角动量会被困在其中,就像质量一样。

我们现在得到的解决方案要复杂得多。爱因斯坦在1915年提出了广义相对论,卡尔·施瓦茨柴尔德在几个月后,即1916年初,得出了非旋转黑洞溶液。但是,在以更现实的方式建模这个问题的下一步——考虑黑洞也有角动量,而不是质量——直到1963年罗伊·克尔找到确切的解决方案后,才得到解决。

1963年,Roy Kerr发现了质量和角动量黑洞的精确解,并揭示了一个点状奇点、内外部事件视界以及内层和外层的异常事件视界,而不是单个事件视界。,加上圆环状的奇点半径。(马特·维塞尔,ARXIV:0706.0622)

更天真、更简单的施瓦茨柴尔德解决方案和更现实、更复杂的克尔解决方案之间存在一些基本和重要的区别。没有特定的顺序,下面是一些迷人的对比:

旋转黑洞具有两种数学解:内部和外部事件视界,而不是事件视界的单一解决方案。

甚至在外部事件视界之外,还有一个称为"球圈"的地方,空间本身以相当于光速的旋转速度被拖曳,而落在那里的粒子会经历巨大的加速。

允许的最大角动量与质量比率;如果有太多的角动量,黑洞会(通过引力辐射)将能量辐射出去,直到它低于这个极限。

也许最迷人的是,黑洞中心的奇点不再是一个点,而是一个一维环,环的半径由黑洞的质量和角动量决定。

旋转黑洞的阴影(黑色)地平线和球层(白色)。在图像中显示的 a 的数量与黑洞的角动量与其质量的关系有关。请注意,黑洞事件地平线望远镜看到的阴影远远大于黑洞本身的事件视界或球体。(尤克特雷斯(维也纳西蒙·蒂兰)/维基媒体共享资源)

考虑到这一切,当你掉进一个旋转的黑洞里时会发生什么?当你掉进一个非旋转的黑洞时,也会发生同样的事情,只不过所有空间都不像正在向中心奇点而落下。相反,空间也像沿旋转方向被拖动一样,像旋转的漩涡一样。角动量与质量的比率越大,旋转速度越快。

虽然旋转黑洞的时空在(外部)事件视界外和内部流动的概念与非旋转黑洞的概念相似,但当你考虑从该视界坠落的观察者将看到外部(和内部)世界时,有一些根本的差异会导致一些令人难以置信的不同细节。当您遇到外部事件视界时,模拟会中断。(安德鲁·汉密尔顿 / 吉拉 / 科罗拉多大学)

这意味着,如果你看到的东西下降,你会看到它变白,但也涂抹成一个环或磁盘沿旋转的方向。如果你掉进去,你会像在一些令人发狂的旋转木马上一样被鞭打,把你吸向中心。当你到达奇点时,它将是一个环;身体的不同部分将在不同的空间坐标处遇到克克尔黑洞内表面的奇点。当你从事件视界中接近奇点时,你将逐渐无法看到自己身体的其他部分。

你应该从这一切中带走的最深刻的信息是,空间的结构本身在运动,并且事件视界被定义为即使你能以最终的宇宙速度极限——光速——在什么位置移动的位置。你选择的方向,你总是会遇到奇点。

安德鲁·汉密尔顿的可视化效果是最好的,最科学准确的模拟落入黑洞真正的样子,是如此违反直觉,我真正可以推荐的是,你看着他们一遍又一遍,直到你愚弄自己认为你明白它。这是怪异的,美丽的,如果你有足够的冒险精神,永远飞到一个黑洞,并在事件地平线内交叉,这将是你最后看到的东西