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。

如果你掉进黑洞会发生些什么(如果你掉进黑洞会发生什么)(1)

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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?

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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。)

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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)

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