黑洞真的是吞噬了物体吗?

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苯鸟 发表于 2023-8-3 19:21:34|来自:北京 | 显示全部楼层 |阅读模式
话说黑洞引力极大,能吞噬任何物体。又因为引力越大,时间就流逝的越慢。那是不是"吞噬"只是表象,而真正的原因却是因为进入黑洞的物体时间过得太慢(几乎是停止),而我们没有那么多的时间去等待物体离开黑洞呢?
看到楼下一些回答表示捉急。所以补充:对于我们来说,是否到目前为止不曾有任何物质穿越视界坠入黑洞内部?如果黑洞是靠吸入物质长大的话,那么是不是现在应该不会有黑洞长大过?
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Korwah 发表于 2023-8-3 19:21:42|来自:北京 | 显示全部楼层
如果让人类根据一切已知编写《宇宙宪法》,热力学第二定律一定会出现在第一页:
任何封闭的系统,都会越来越混乱无序——如果用“熵”这个概念描述系统的混乱程度,那么任何封闭系统的熵都会永恒增加,这种宏观上的不可逆性标定了宇宙的时间之矢。


然而广义相对论问世以后,一个尴尬的佯谬就渐渐浮出了水面:1939年,奥本海默根据爱因斯坦的方程,提出足够巨大的恒星将在死亡时。坍缩成引力巨大,连光都无法逃逸的残骸,使得物质无穷堆积,时空无限弯曲,超出所有人的理解。


1969年,约翰·惠勒将这种未知的存在称为“黑洞”,并提出了黑洞只有质量、电荷量和角动量三个守恒量,其余一切物理量都被巨大的引力“撕碎”在视界之内了——这个假说在1973年被霍金等人证明,就是著名的“黑洞无毛定理”。


那么不妨设想:如果将熵很大的物质,比如一整颗炽热的恒星,囫囵扔进黑洞中去,也将被洗刷得这样干净——那么其中的熵哪里去了?
如果要坚守热力学第二定律,就必须承认黑洞也有熵,有熵就有温度。
有温度就有辐射——然而黑洞连光都不会放过,又怎么辐射能量呢?这真是一个尴尬的难题。


然而才到第二年,已经失去语言能力的霍金又给出了黑洞向外辐射能量的方式,就是更著名的“霍金辐射”了——我们要想理解这种辐射,还需要一些量子论的铺垫。


在经典物理中,宇宙中的物质和能量不会凭空出现,也不凭空消失。
比如电子与正电子相遇会成对湮灭,转化成光子,光子携带的能量将等于两个电子的质量,而足够高能的光子也可以突然分裂成一对电子和正电子——但在微观的量子世界,这事儿可就说不准了,在测不准原理的袒护下:真空中可以凭空出现一对正反粒子,随后又在极短的时间内相遇湮灭——整个过程只需满足这对粒子的质能与持续时间的乘积小于普朗克常数,这对粒子就会因为“测不准”而无法观测,也就不会违背质能守恒定律——所以我们叫它们虚粒子。


虚粒子意味着真空并不空,而如同沸腾的水面被不断涌现的虚粒子充满着——虽然听上去非常怪诞,然而当代物理就是用虚粒子模型完美解释了各种相互作用。


然而霍金辐射指出,在黑洞的视界附近,这些真空中涌现出来的虚粒子突然有了实化的机会:这一正一反两个粒子存续地时间虽然很短,但也有可能因为靠近黑洞视界而坠落进去。


特别的,这种坠落不必同时发生,甚至另一个粒子也可能不落入视界,因为它已经没有湮灭的伙伴,可以久远地留存在宇宙中了,那么当它离开黑洞的时候,就表现为黑洞发出了辐射,也就是霍金辐射。


进一步的,一对虚粒子中的某一个变成了实粒子,它们获得的质量就来自黑洞——所以在长远看来,所有饥饿的黑洞都会因为霍金辐射蒸发消失——正如霍金在2016年阐述的,“只有灰洞,没有黑洞”。
霍金辐射不但解决了“黑洞熵”的难题,还带来了另一种奇妙的宇宙观:熵在描述物体状态的时候蕴含了物体的信息,那么当物体坠入黑洞的时候,这些信息就留在了黑洞的视界上。


这意味着视界内部这个三维空间的全部信息都编码在了视界表面这个二维平面上,坠入黑洞并不意味毁灭。


于是一种基于弦论的全系宇宙论就提出:我们这个世界是另一个“高维”世界的全息投影,我们日常体验的三维空间是一种宏观低能的描述,甚至可以想象成我们就生活在一个黑洞内部——这真是一件触发幻想的事情。

本回答所有截图和内容摘引自节目《霍金辐射 | 混乱博物馆》。

霍金辐射
https://www.zhihu.com/video/1100009786963210240
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hshf007 发表于 2023-8-3 19:22:03|来自:北京 | 显示全部楼层
“谈广义相对论(GR),不谈观者的都是外行”———来自中科大某广相讲师原话(真的只是讲师)
回归主题,“是否到目前为止不曾有任何物质穿越视界坠入黑洞内部?如果黑洞是靠吸入物质长大的话,那么是不是现在应该不会有黑洞长大过?,或者换一个更深入的问题,如果在黑洞形成的过程中引力就不断增大,引力红移不断增大,对于外部观者“会不会根本形成不了黑洞?”。

这就要回归到1939年“原子弹之父”——J. R. Oppenheimer(奥本海默)的文章On Continued Gravitational Contraction, J. R. Oppenheimer and H. Snyder
Phys. Rev. 56, 455 – Published 1 September 1939

他的摘要是这么写的:



他的观点是:
在comoving observer(共动观者)看来,恒星会坍缩成黑洞,耗时大概几天时间;
在external observer(外部观者或无限远观者)看来,恒星永远不可能坍缩到小于引力半径,而是渐进趋向于引力半径。

当然,这篇文章,引来了无数的争论。高能物理所张双南研究员(准院士,量子力学奠基者 狄拉克的学生 的学生),就提出来反对意见。
文章传送门:
https://arxiv.org/abs/1003.1359张老师的思路大概可以解释为(说的不对的话,请指出):在外部观者看来(共动观者没什么争议),抛入黑洞的粒子即使没有落入黑洞中也会增加黑洞的引力,因此会扩大事件视界面的半径,因此事件视界面会淹没那些渐进于视界面上的粒子。也就是说粒子最终还是落入了事件视界面中了。



(张老师论文中的插图,左边是共动观者测量的粒子的世界线,右边是外部观者测量的粒子的世界线)

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buyidaifu 发表于 2023-8-3 19:22:20|来自:北京 | 显示全部楼层
发现似乎没人真的直接回答题主的问题。。
关于这个问题我有一个简单的解释。先说主要问题在哪里。
原先的想法是,如果我们考虑一个无穷小质量的质点,的确是像题主和其他答案那样说明的,在视界外部的观察者看来,质点需要无穷长的时间才能到达视界,因此黑洞是不能够通过“吞噬”质量不断“长大”的。
问题就在于这个无穷小质量上。之前的所有讨论,黑洞外部的观察着看来物体在有限时间不会掉进黑洞里,这个结论是建立在物体具有无穷小质量上的。在这问题中,我们必须要考虑质点的有限质量。
一个简单的解释是这样的,考虑有限质量的质点,黑洞在“吞噬”前后的视界大小是不一样的。也就是说,“吞噬”过程实际上是在质点距离原来的视界一小段的位置上发生的,而质点到达那个位置并不需要无穷长的时间,也就是说,是在有限时间范围内发生的。
粗糙地描述一下,就是物体在不断像黑洞跌落的过程中,在某个时候,物体距离黑洞足够近了,黑洞的视界“啵”地一下发生了变动,恰好就把物体“吞噬”进去了。于是在有限时间内黑洞通过“吞噬”物体长大了。。
PS:
没学过广相,只是觉着这个粗糙地argument应该是足够解决矛盾的。
期待有大神更细致地说明一下。
如果我的argument有问题,请直接指出来一起讨论一下让我也学习一下啊。。
zijiang 发表于 2023-8-3 19:22:48|来自:北京 | 显示全部楼层
短回答:会,也不会,取决于你从什么地方观察。
如果你感到困惑,请看长回答。


有一天,猫在太空中追逐老鼠(这是两只可以在太空中飞行的神奇动物)。老鼠走投无路,一头跳进了黑洞,而猫则留在远处观察。我们来看看在这一事件中,猫和老鼠分别会看到什么。
随着老鼠靠近黑洞,引力越来越强,而且引力增加的梯度越来越大。到了一定距离,对小型的黑洞,老鼠头部受到的引力远远大于尾部。巨大的引力差会把老鼠拉长。物理学家把这种现象叫做“面条化”(spaghettification,这个单词来源于spaghetti,意大利面)。而大型黑洞引力增加比较平缓,可以让老鼠安全的跳进去。
从猫的角度观察,老鼠向黑洞跌落的速度愈来愈慢,而且老鼠身上发出的光越来越红,原来越暗,最后渐渐消失。猫不会看见老鼠进入视界。这是因为,距离黑洞越近,引力越大。由于巨大引力场扭曲时空的效果,时间变慢,所以猫会观察到老鼠跌落的速度降低。对于光来说,变慢的时间降低它的频率。所以老鼠发出的光向低频方向移动。这种现象称为红移。
需要注意的是,红移和蓝移并不一定是光的颜色变红或变蓝,而是指频率变化。红移是频率降低,蓝移是频率增大。


图片来自
电磁波_百度百科
猫能看到老鼠是因为来自老鼠身上的可见光。由于老鼠位置时间变慢,光频率降低,可见光红移成为红外线,微波,无线电波,最后频率降至无限低,我们就可认为光已经不存在了。不但猫的眼睛,任何观察仪器都看不到了。这时,在猫的时间线上,或者说在离黑洞足够远的整个宇宙中,老鼠仍然在缓慢跌落,直到最后停止在黑洞视界。从猫的角度来看,老鼠已经停止了。就算等到时间的尽头,老鼠也不会掉进视界。
从老鼠的角度来看,它不会感觉自己向黑洞跌落的过程有任何异常,就像从高处跌落地面一样。它清晰的知道自己穿过视界,进入黑洞内部。所以对于老鼠来说,穿过视界这一事件(event)必定发生,而对于黑洞外的猫来说,这一事件不会发生。这就是视界(event horizon)这一名字的来历:这是一个事件的边界,边界内发生的事件对于边界外的观察者来说,永远不会发生。

在穿过视界一瞬间,如果老鼠回头看的话,他会看到外面的宇宙迅速的发展,恒星耗尽燃料爆炸,银河系和仙女座星系碰撞,所有恒星熄灭,宇宙变得一片死寂。当然从技术上说,它看不到。从外部射进来的光会因为蓝移变成高频的伽马射线,不但无法辨认有效信息,还会把老鼠烤熟(可以认为它在短时间内接收到了宇宙无限长时间内发出的能量)。
最后,回到对问题的回答。

  • 黑洞会吞噬物体,如果你是那个物体。
  • 黑洞不会吞噬物体,如果你不是那个物体。

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xue8 发表于 2023-8-3 19:23:14|来自:北京 | 显示全部楼层
好吧, 既然问题中提到的核心是时间变慢,我们就认为这是在广义相对论(广相afterhere)的框架下讨论问题咯。
首先,要做出澄清的是,广相的框架下没有引力的概念,我们感受到的引力是时空扭曲的体现。不管是地球绕着太阳转还是苹果掉到地上,都只是(质量影响下)时空几何中的“匀速直线运动”(正式名字叫测地线)。便于叙述,我们还是使用“引力”这个词。
第二,黑洞来自广相的解。施瓦西解是广相最简单的一个解(球对称解),地球、太阳的引力都可以用施瓦西解描述。在施瓦西解下,当物质的密度足够大,那么任何作用力都无法阻止引力塌缩,于是物质塌缩为一个奇点,形成黑洞(施瓦西解的奇点是一个点,对于Kerr黑洞,即有角动量的黑洞,奇点是一个环)。太阳没有塌缩是因为内部的热压力,不过太阳失去热压力也不会成为黑洞,而是白矮星 ;白矮星没有塌缩是因为内部的电子简并压 ,不过电子简并压无法支撑的白矮星也不一定会成为黑洞,而可能是中子星 ;中子星没有塌缩是因为内部有中子简并压,但是再往上就没有更强大的压力了,所以中子星质量大于某个上限的话(因此密度大于某上限)则一定会塌缩成为黑洞。在广相的理论下,我们除了承认黑洞存在,没有其他的选择,尽管爱因斯坦也不喜欢黑洞这个解。
第三,白洞和虫洞可能是有趣的东西,但都不是严肃的话题,只是科幻的题材。无法证明也无法证伪的东西不属于科学的范畴。
最后,我们来直面这个问题:
施瓦西解有两个奇特的地方:一个是视界,一个是中心。
视界也就是无限红移面,在遥远的观测者看来越是接近视界,时间会越慢,所以这就是题主的问题。但注意时间变慢是对于遥远的观测者所看到的来说的,因此对遥远的观测者来说,永远看不到物质掉落到视界以内,因为接近视界时间会变得无限慢。但实际上光和物质在自己的坐标系里都可以毫不费力的穿过视界,抵达视界内部。所以题主的问题,物质掉进去没有?当然掉进去了,在物质的当地时间里,他们一下就穿过了视界。
大家如果可以翻出《星际穿越》来看的话,Cooper利用黑洞引力弹弓效应时,可以看到当吸积物质运动到视界边上是变慢的(作为遥远观测者的视角看到的),而Cooper自己掉进黑洞内是一直加速的并且一下子穿过视界(自己的坐标系内)。所以这片子拍的还是挺不错的,这种细节都有注意到,毕竟有Kip Thorne当科学顾问。
多说一些:
视界之所以叫视界是因为任何东西(包括光)都不能穿出视界,因此我们不可能看到视界以内,所以叫黑洞,实际上黑洞的定义就是视界包围的区域。视界以内的物质只能毫不犹豫的朝中心奔去。也是因此有了施瓦西解的奇点——中心,既然所有物质都无可改变的朝中心去了,中心的密度自然是无限大了。要解决无限所引起的困惑已经超越广相的能力了,只能期待新的理论,例如弦论。发现施瓦西解的这位施瓦西先生在爱因斯坦发表广相一个多月后就解出了这个解。然而他在发表结果后不久死于一战。
在观测中黑洞是存在的,最安全的例子就是我们银河系核心黑洞 Sgr A* (4.1 Million Solar Mass)。我们不可能看到视界以内,甚至目前我们也看不到吸积盘(吸积物质堆积形成的盘),认证Sgr A* 的证据是周围恒星几十年的Kepler运动轨迹。你说这就可以认证黑洞了?足够了!并且我们可以证明有物质正在连续地掉落到这个黑洞里去,那就是通过黑洞周围吸积盘的辐射,尽管非常非常少。
好了,看完这个答案,需要记住的最zhuangbility的几点是:
1. 引力不是力,是时空的扭曲的体现。
2. 抛弃绝对时间的观念。这是狭义相对论就抛弃了的东西,而老爱自己说:相比于广相,狭义相对论就如同儿戏一般。
3. 黑洞很平常。仰望星空的时候,看到银河系,告诉自己那中间就有个4百万太阳质量的大黑洞。同时,宇宙中遥远的黑洞为这个平凡星球上的普通人创造了很多的饭碗。

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