wmywind 发表于 2023-8-14 18:42:10

假设在我的身上绑一根长度足够长,刚度与强度足够坚韧的绳子,然后我进黑洞,是否有可能在黑洞外的一端能通过拉绳子把我从黑洞中解放出来?

看过一个问题是说在黑洞中空间扭曲,且空间无限大,因此不能通过增加距离或确定行进方向而逃离。
那么当有一根连同内外的绳子的存在,且强度刚度长度都足够,一端在黑洞内绑在我身上,一端在黑洞外没有被吸进黑洞,那我是否能通过这根绳子而逃离?
假设在黑洞外的一端正在被吸进黑洞的过程中,则我是否需要大于两倍光速的行进速度,才能在外面的一端被吸入之前逃离?

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已经看完《三体》的题主的更新。
多年以前写的这个特别外行的问题引起这么多的讨论作为题主看到很多认真地回答很感激。
还有各种花式吐槽题主腰力不济会被绳子腰斩……【噗
谢谢你们给出的评论和回复。
后来因为兴趣去看了三体,也看了更多科普文,知道掉入这个行为本身就没法讨论,不同的观测者得到不同的观测结果嘛……

题主写我自己进去而不是找个人踹进去本身就是为了避免恶意攻击。
当然我也想过改成塞跟杆子进去爆它菊之类的……【大雾
可是这样就没有探险精神了多没意思……

然而#键盘侠不可避#!也确实见识到#不好意思秀优越是我的本能#这样霸气的存在。
虽然网上见得多了,自己的问题下面冒出这些来还真的是洁癖都要犯了呢!
我真的特别崇拜你们的学识。我的知识量跟不上你们的常识水平还真是对不起了呢!

efg4960 发表于 2023-8-14 18:42:35

可以参见这个回答
除了长得好看,什么样的女孩子是最有吸引力的?考虑一个史瓦西黑洞,其度规可以写成( 取 https://www.zhihu.com/equation?tex=c%3D1 )
https://www.zhihu.com/equation?tex=ds%5E2+%3D+-+%5Cleft%281+-+%5Cdfrac%7B2GM%7D%7Br%7D%5Cright%29dt%5E2+%2B+%5Cleft%281+-+%5Cdfrac%7B2GM%7D%7Br%7D%5Cright%29%5E%7B-1%7Ddr%5E2%2Br%5E2d%5COmega%5E2%2C
现在用一根绳子将题主放至坐标 https://www.zhihu.com/equation?tex=%28r%2C%5Ctheta%2C%5Cphi%29 处,考虑维持题主静止所需要的绳子拉力。
题主的四维速度为
https://www.zhihu.com/equation?tex=U%5E%5Cmu%3D%5Cdfrac%7B%5Cmathrm%7Bd%7Dx%5E%5Cmu%7D%7B%5Cmathrm%7Bd%7D%5Ctau%7D%3D%5Cleft%28%5Cdfrac%7B%5Cmathrm%7Bd%7Dt%7D%7B%5Cmathrm%7Bd%7D%5Ctau%7D%2C0%2C0%2C0%5Cright%29%3D%5Cleft%28+U%5Et%2C0%2C0%2C0+%5Cright%29 ,
可求得其非零分量为
https://www.zhihu.com/equation?tex=-1%3DU%5E%5Cmu+U_%5Cmu%3Dg_%7Btt%7D%28U%5Et%29%5E2~%5Clongrightarrow~U%5Et%3D%5Cdfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B-g_%7Btt%7D%7D%7D%3D%5Cdfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B1-%5Cdfrac%7B2GM%7D%7Br%7D%7D%7D 。
因此题主的四维加速度为
https://www.zhihu.com/equation?tex=A%5E%5Cmu%3D%5Cdfrac%7B%5Cmathrm%7BD%7DU%5E%5Cmu%7D%7B%5Cmathrm%7Bd%7D%5Ctau%7D%3D%5Cdfrac%7B%5Cmathrm%7Bd%7DU%5E%5Cmu%7D%7B%5Cmathrm%7Bd%7D%5Ctau%7D%2B%5CGamma%5E%5Cmu_%7B%5Csigma%5Crho%7DU%5E%5Csigma+U%5E%5Crho%3D0+%2B+%5CGamma%5E%5Cmu_%7Btt%7D%28U%5Et%29%5E2%3D%5Cdfrac%7B1%7D%7B1-%5Cfrac%7B2GM%7D%7Br%7D%7D%5CGamma%5E%5Cmu_%7Btt%7D%EF%BC%8C
其中 https://www.zhihu.com/equation?tex=%5CGamma%5E%5Cmu_%7B%5Csigma%5Crho%7D 为克氏符号,可以从度规得到:
https://www.zhihu.com/equation?tex=%5CGamma%5E%5Cmu_%7B%5Csigma%5Crho%7D%3D%5Cdfrac%7B1%7D%7B2%7Dg%5E%7B%5Cmu%5Clambda%7D%28%5Cpartial_%5Csigma+g_%7B%5Crho%5Clambda%7D%2B%5Cpartial_%5Crho+g_%7B%5Clambda%5Csigma%7D-%5Cpartial_%7B%5Clambda%7Dg_%7B%5Csigma%5Crho%7D%29%E3%80%82
对于史瓦西度规, https://www.zhihu.com/equation?tex=%5CGamma_%7Btt%7D%5E%5Cmu 唯一的非零分量为
https://www.zhihu.com/equation?tex=%5CGamma%5Er_%7Btt%7D%3D%5Cdfrac%7BGM%7D%7Br%5E2%7D%5Cleft%281-%5Cdfrac%7B2GM%7D%7Br%7D%5Cright%29 。
由此我们得到题主四维加速度非零分量的表达式
https://www.zhihu.com/equation?tex=A%5Er%3D%5Cdfrac%7B1%7D%7B1-%5Cfrac%7B2GM%7D%7Br%7D%7D%5Ccdot%5Cdfrac%7BGM%7D%7Br%5E2%7D%5Cleft%281-%5Cdfrac%7B2GM%7D%7Br%7D%5Cright%29%3D%5Cdfrac%7BGM%7D%7Br%5E2%7D 。
题主感受到的固有加速度的大小等于四维加速度的模长
https://www.zhihu.com/equation?tex=a%3D%5Csqrt%7BA%5E%5Cmu+A_%5Cmu%7D%3D%5Csqrt%7Bg_%7Brr%7D%28A%5Er%29%5E2%7D%3D%5Cdfrac%7BGM%7D%7Br%5E2%5Csqrt%7B1-%5Cdfrac%7B2GM%7D%7Br%7D%7D%7D ,
它正比于绳子对题主(假设静质量为 https://www.zhihu.com/equation?tex=m_%5Cmathrm%7B%E9%A2%98%E4%B8%BB%7D )施加的固有力
https://www.zhihu.com/equation?tex=f%3Dm_%5Cmathrm%7B%E9%A2%98%E4%B8%BB%7Da 。
我们可以直观地画出 https://www.zhihu.com/equation?tex=a%28r%29 的函数图像:


注意当题主悬停的位置接近史瓦西半径 https://www.zhihu.com/equation?tex=r_s%3A%3D2GM 时有
https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Clim_%7Br%5Cto+r_s%5E%2B%7Da%3D%5Cinfty ,
此时绳子所需的拉力也将趋向无穷大,所以无论多么坚韧的绳子都不能让题主停留在黑洞的史瓦西半径处,更不能将其拉回来。
<hr/>有趣的是,如果这根(质量不计的)绳子是由距离黑洞无穷远处的静止观测者垂下的,那么在题主(以下假设具有单位质量)被缓缓下垂到史瓦西半径附近处时,绳子(假设还没断)的另一头只会感受到有限的拉力,它的极限就是我们熟知的表面引力:假设类光超曲面是Killing矢量场 https://www.zhihu.com/equation?tex=K%5E%5Cmu 的Killing视界( https://www.zhihu.com/equation?tex=K%5E%5Cmu%7C_%5Cmathscr%7BK%7D 正交于),在 https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cmathscr%7BK%7D+ 上可以由下式定义表面引力:
https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cnabla%5E%5Cmu%28K%5E%5Cnu+K_%5Cnu%29+%3D+-2%5Ckappa+K%5E%5Cmu 。
对于史瓦西黑洞,渐近类时Killing矢量场 https://www.zhihu.com/equation?tex=K%5E%5Cmu%3D%5Cxi%5E%5Cmu%3D%28%5Cpartial%2F%5Cpartial+t%29%5E%5Cmu 的Killing视界与黑洞的事件视界(史瓦西半径)重合,表面引力为
https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Ckappa%3D%5Cdfrac%7BGM%7D%7Br_s%5E2%7D%3D%5Cdfrac%7B1%7D%7B4GM%7D ,
即无穷远处绳子端所需要的拉力。
下面我们从能量守恒角度来推导确认一下这确实是无穷远处的绳子拉力。
单位质量的题主被悬挂在处静止时的总能量(包括“引力势能”)为
https://www.zhihu.com/equation?tex=E+%3D+-U%5E%5Cmu+%5Cxi_%5Cmu%3D%5Csqrt%7B-g_%7Btt%7D%28r%29%7D 。
考虑靠近黑洞端坐标差为 https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cmathrm%7Bd%7Dr 的无穷小绳子位移,拉动的固有距离可以从史瓦西度规在等 https://www.zhihu.com/equation?tex=t 空间超曲面上的诱导度规求得:
https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cmathrm%7Bd%7Dl%3D%28-g_%7Btt%7D%29%5E%7B-%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%7D%5Cmathrm%7Bd%7Dr ,
这导致能量的相应改变
https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cmathrm%7Bd%7DE%3D%5Cleft%28%5Cdfrac%7B%5Cmathrm%7Bd%7D%7D%7B%5Cmathrm%7Bd%7Dr%7D%5Csqrt%7B-g_%7Btt%7D%28r%29%7D%5Cright%29%5Cmathrm%7Bd%7Dr%3D-%5Cdfrac%7Bg%27_%7Btt%7D%28r%29%7D%7B2%5Csqrt%7B-g_%7Btt%7D%28r%29%7D%7D%5Cmathrm%7Bd%7Dr ,
其中撇号表示对求导。由能量守恒可知这一改变等于无限远端拉力 https://www.zhihu.com/equation?tex=f_%5Cinfty 所做的功,所以
https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cmathrm%7Bd%7DE%3Df_%5Cinfty%5Cmathrm%7Bd%7Dl 。
易得
https://www.zhihu.com/equation?tex=f_%5Cinfty+%3D+%5Cdfrac%7B%5Cmathrm%7Bd%7DE%7D%7B%5Cmathrm%7Bd%7Dl%7D%3D-%5Cdfrac%7B1%7D%7B2%7Dg%27_%7Btt%7D%28r%29%3D%5Cdfrac%7BGM%7D%7Br%5E2%7D 。
特别地,当 https://www.zhihu.com/equation?tex=r%5Crightarrow+r_s%3D2GM 时无限远处拉力趋向有限值
https://www.zhihu.com/equation?tex=f_%5Cinfty+%3D+%5Cdfrac%7B1%7D%7B4GM%7D%3D%5Ckappa 。

论坛灌水员 发表于 2023-8-14 18:42:43

黑洞是一个引力大到光都无法从其中逃脱的天体。也就是一旦进入黑洞,便再也无法逃脱,但其实黑洞是很难进入的。

根据爱因斯坦的广义相对论,时空是可以被扭曲、压缩的。譬如,有一把一米长的尺子,当它置于引力场中时,长度会变短。但此处要注意,尺子自己并不会觉得自己的长度变短了,而是在引力场以外的人觉得尺子变短了。

同样地,一段时间在引力场中,也会被压缩变短,如果拿着一块表走进引力场,你不会觉得自己的时间变慢,而是外面的人看你的时间会变慢,你的动作在外面的人看来变成了慢动作。

著名的科幻电影《星际穿越》里,男主角和女主角去了一趟黑洞边上的行星,他们只去了三个小时,回到飞船上的时候,他们的同事已经过了 20 年了。片中引力场以外的 20 年,到了引力场里就被压缩成了三个小时。

用广义相对论来描述黑洞的边缘的话,其实是时空的压缩太剧烈了,把时空的尺度都压缩成零了。譬如,你去黑洞里玩一圈,我在外面帮你把风,我们约定好,你每隔 1 分钟给我发一条信息报平安。在这个过程中,对你来说,你还是每隔 1 分钟给我发一条信息,但问题是,随着你靠近黑洞边缘,我看这 1 分钟却是越来越长的。

随着你越发靠近黑洞,你的时间流逝相对于我来说被压缩得越来越短,也许一开始我的 1 个小时被压缩成你的 1 分钟,到后面我的 10 个小时才被压缩成你的 1 分钟。随着你越发靠近黑洞边缘,你的 1 分钟时间在我看来越来越长。到最后你无限接近黑洞的时候,你的 1 分钟将对应我的无限长时间。哪怕我长生不老,等到天荒地老、海枯石烂,我也看不到你真正到达黑洞边缘的那一天,能见到的只是你不断趋近黑洞边缘。所以在我看来你是永远进不去的。

换成你的视角,你能进入黑洞吗?是可以的。你进入黑洞的时间在你看来是有限的,问题是你的有限时间,对应于黑洞外的无限时间。也就是在你看来,全宇宙在转瞬间就结束了。宇宙都结束了,黑洞还在不在就不知道了。如果宇宙最终会在有限时间里迎来终结的话,在你真正进入黑洞前,全宇宙就结束了。根据这番推理,不管是你自己想进去,还是我看着你进去,只要宇宙的寿命是有限的,你都进不去。

但以上的讨论十分理想化,现实情况是,黑洞不仅会吸收很多物质,也会发生黑洞合并的情况。为什么现实中黑洞又能进得去呢?这里的关键是,我们并非进入了黑洞,而是黑洞来「迎接」我们,后文将继续分析。

为什么无法从黑洞里逃出来?


要进入黑洞并不容易,因为在黑洞外的人看来,进入黑洞的人要花无限久的时间才能到达黑洞边缘。就让我们假设,如果你真的进入黑洞,还能回来吗?答案是,当然回不来。

假设你想进黑洞玩一圈,我在外边给你把风,这时你刚好一只脚踩到了黑洞边缘,想要往回走。但我等到天荒地老、海枯石烂,也等不到你出来的那一天,为什么呢?还是可以从两个角度来看这个问题。

对于在黑洞外的我来说,你在黑洞边缘,你的有限时间等于我的无限时间,你只要往回走就要消耗你的时间,但这个时间我可耗不起,可能你过了 0.0001 秒,外面的宇宙就已全部结束。在你看来,你能出来吗?一样出不来。

你确实可以往回走,
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fredqiqi 发表于 2023-8-14 18:43:02

其实lz完全可以试试把一根竹竿戳到黑洞里看能不能再拿出来嘛,完全不用自己掉进去啊。
    前面很多人搞错了一个观念,就是认为黑洞视界附近的潮汐引力无穷大、会撕碎一切,黑洞里的物理学规律完全失效。其实这是错误的,视界附近的潮汐引力是一定的,和黑洞的体积也就是质量有关,越大的黑洞视界附近的潮汐力越小,足够大的黑洞(比如10亿个太阳质量的黑洞)附近的潮汐力人体完全感觉不到。而黑洞视界内外的物理学规则完全相同,一个人掉下去穿过这样的黑洞视界完全没有感觉。只有在靠近奇点的时候,潮汐力才会不断增大把一切物质扯碎,同时在奇点处,现有的物理学规律就完全失效。所以说一穿过视界就被撕碎是完全错误的。
    至于lz的问题,应该先了解下视界,现在我们了解最多的视界其实是显视界,这个视界定义是试图逃逸黑洞的光子最后被引力拉下去的地方。这个视界是静态的、相对的,它的位置依赖于观测者的参照系,也就是说掉下去的lz和上面拉绳子的lz朋友看到的显视界是不同位置的;其次这个显视界的变化是跳跃的,不是连续的。我们知道当有物质落入黑洞后,黑洞质量增大,体积也增大,而这个显视界会在物质落入黑洞后突然跳到新的位置,这种奇异的行为在物理学上是很难以认识和接受的。为此,我们的霍金提出了绝对视界的概念,其定义是 时空中能否向遥远宇宙发送信号的事件之间的分界。当黑洞吞噬物质的时候,绝对视界将以一种光滑的、连续的方式改变大小和形状。
   对了,发现问题了木有?绝对视界是在物质向黑洞下落,到达黑洞之前就开始变化,到黑洞吞噬物质时正好到达新位置,也就是说绝对视界是目的论的,它的变化取决于物质最终会不会被黑洞吞噬!
    所以lz的问题其实可以简单回答为,如果lz注定要掉进去,那么怎么也拉不出来,如果注定不会掉进去,那么肯定能拉出来~
    当然,适用这些不同的概念对现在对黑洞的实验结果的预言没有任何不同,只是解释起来用哪个方便就用哪个而已~

antsarmy 发表于 2023-8-14 18:43:25

请参考我对这个问题的回答:http://www.zhihu.com/question/19589015/answer/15866164
从你的角度,你会很顺利的进入黑洞,感觉不到什么异常。除了感觉你的头和脚之间被越来越强的潮汐力(引力差)撕扯。
但是永远不要指望有人能把你拉出去。
因为就在你穿越黑洞视界进入黑洞的那一刻,你相对于黑洞外的世界就已经成了永恒。你已经超越了所有的时间。不要问你在黑洞里的这一刻,外面的兄弟在干什么。因为你已是他无尽的未来。
在黑洞外那个准备拉你的兄弟看来,你在落向黑洞,可是越来越慢,越来越慢……黑洞外的兄弟等到地老天荒,也只能看到你凝固在黑洞的边缘,化为永恒。他永远也看不到你掉进黑洞。因为你将是他无尽的未来。

时光匆匆 发表于 2023-8-14 18:43:59

应该不能,绳子是长度足够大,刚度,强度足够坚挺的,但楼主不是。。。
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