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发表于 2018-6-13 19:31:33
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感谢 @中型世界主义路灯 的翻译,让我这个语文阅读理解困难症看懂了评论中的同志们想要表达的困惑。
对于这个我并不在行的问题,我向一名理论物理专业的朋友进行了请教,并得出了如下科普。
对于物质到底掉没掉进去,经典意义上相对论和量子论给出了相悖的解答。
对于相对论的解答才是我之前(下边)所说的。对于远处的观察者,他所扔出去的物体在不断接近事件视界,但是在他看来(甚至他之后才来的人看来)那东西就是死活掉不进去。因为东西掉进去之前的信息需要无限长的时间才能传递出来。
而在物体本身看来,它自己被无情地撕裂并迅速进入黑洞。
而在这么高引力的时空中,需要涉及到场论的相关知识,恕我能力有限。(我只是个玩光纤的)
但是根据量子论(这方面我是不了解的,我们专业也是从未涉及到高量或者场论的知识),用那位朋友的原话来说:科普地讲,根据量子论,黑洞表面聚集了大量的信息,所以滑不进去,撞到视界=烧死。
所以各位不要纠结这个问题了,可怜的黑洞没准真的会把自己饿死。(手动滑稽)
虽然黑洞的确吃到了不少东西(嗝~~~~!),但我们只要不作死进去看看,那我们就算活到这黑洞蒸发了,我们也看不到我们扔进去的东西真真切切地掉进去,只是永远在无限接近中。
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以下是原回答的科普
再往下是最之前的原回答
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鉴于有这么多人翻来覆去地问我黑洞到底吸没吸进去物质,我觉得我有必要从头来一次没有数理公式的科普。
(虽然我不是这方面专业的,但是科普一下还是足矣了)
首先,我们需要一个在主序星阶段(主序星:理解成像太阳一样还在正常燃烧的恒星)的大质量恒星(形成黑洞大概需要至少30倍太阳质量吧,反正很大就是了)
然后这个恒星的氢元素燃烧殆尽了,体内没多少氢了,氢基本都变成氦了。(这里需要注意的是,虽然是核聚变但是和氢弹的公式差别很大,恒星内部的核聚变是高温高压的等离子体,四个氢原子核变成一个氦原子核,氢弹是做不到的)
然后恒星会进行一次收缩(顺便有一部分外层物质弥散),收缩再次产生巨大压力,激发了氦的核聚变,形成碳和氧。以此类推最后形成第26号元素,铁Fe。(相信有着好奇心的你,会百度一下元素周期表的,注意,周期表是横着读的,虽然氢和氦离得很远,但是的确是横着读的)
再说细一些,虽然合成了前26个元素,但是不是所有的都是在恒星内部聚变合成的,举个例子,氧17不稳定会裂变成氮。而我们呼吸的氧气绝大多数都是氧16。
(对了,补充一下,我们亲爱的太阳,到不了铁,大概也就能合成碳氧就没法继续演化了。其次这一段时间不是氢核聚变的过程,你们理解成是红巨星就行,恒星的输出能量会越来越少但是体积越来越大。太阳在不能继续合成之后,会爆炸,抛出大量外层物质,留下一个小小的白矮星,地球在此之前早就被红巨星太阳吃掉了)
这时候这个恒星,几乎全是铁的恒星,依靠自身引力(压力)是没法再继续进行核聚变了,物理定律不允许了。(相信喜爱宇宙的你想到我要说的是中子星了)
这时候如果这个恒星质量超过大概1.44倍太阳质量(我记不清楚了,反正是一个不到5的数字),恒星自身的引力压会压破原子,把原子外层的电子压到原子核里。(可以理解成是质子和电子合成了中子,变成了一个只有中子的恒星,称之为中子星)。这个临界质量叫做“钱德拉塞卡极限”,有兴趣的可以百度。
而不到这个质量的恒星,像我们的太阳会抛出外层物质变成白矮星。而质量很小的恒星甚至都不会经历红巨星阶段而直接熄灭,慢慢变成黑矮星。
当然中子星也会在形成的瞬间抛出大量外层物质(黑洞也是),而这个瞬间会合成我们日常中所能见到的比铁序号更靠后的元素,大概一直到我们造的裂变核弹用的铀。时间长度嘛,大概整个银河系在一亿年的跨度内,总共只有几秒几分钟吧。
也就是每一亿年的几分钟,合成了金子啊,银子啊,这些东西。
We all dead stras, looking back up at the sky。
接下来就是黑洞了,如果质量大到足矣形成黑洞的话,抛射出去的物质如果没有达到逃逸速度就会被吸回去。而黑洞巨大的引力压会把自己压碎,而形成一个奇点(qí,奇异点的意思)。而正常在幻想图中看到的那个黑球球其实是“事件视界”,在这个地方逃逸速度是光速,在事件视界外部光速的物体可以逃逸,在事件视界内部什么东西都逃逸不出来(不过涉及到霍金辐射,这句话不是很准确)。
默哀一下霍金,伟大的物理学家,虽然不是最最最顶尖的物理学家,但是他在科普的路上做出的贡献几乎可以说是前无古人的。向史蒂芬·霍金致敬。
下边开始就要反常识了。
接下来就要说到相对论了。相对论,由爱因斯坦提出。狭义相对论(不涉及引力),有两条基本公理:
一,相对性原理,在任何惯性系下物理定律都是通用的。
也就是说,在所有匀速直线运动的参考系下,物理定律都是中学学到的那样。而非惯性系(参考系有加速度)下,需要引入一个“惯性力”。比如考虑到地球自转的时候需要引入“科里奥利力”(地转偏向力)。
二,光速不变性原理。在所有惯性参考系下,真空光速都是一定的。这个不做过多解释,也就是,你在一个匀速直线运动的车上向前发射一束光,这个光的速度也是光速。
广义相对论。引入了引力这个参量。这里我们可以理解成,引力其实并不存在,而引力是作为压缩空间而作用在所有有质量的物质上的。
为了方便理解,我们将三维的空间二维化。思维试验,想象一张布,有一定的弹性,放一个钢球球在布中心,肉眼可以观察到布有凹陷,离球越近凹陷越陡,甚至聪明的你能观察到这个凹陷曲率(引力)是跟与球的距离的平方成反比的量。(这句话是不是很熟悉,没错!万有引力公式!引力与相对距离的平方成反比)。这时候你用一定的速度抛出一个塑料小球(不要正对钢球扔),会发现这个球开始绕转钢球运动。这个塑料球就相当于这个钢球(恒星)的行星(地球)啦!其实说他是彗星之类的更准确?而睿智的你也会发现塑料球其实也会使布凹陷的,这就是万有引力的表现。
而如果是黑洞的话,那么这张布上的凹陷处的最低的地方其实就是垂直的,中间那个密度无限大的就是奇点了。而曲率逃逸速度等于光速的那一个圆环就是黑洞的事件视界了。
然后就该说黑洞吸入物质的过程了。光,电磁波,是有波粒二象性的。电磁波同时即是一种横波也是一种粒子(光子)。光子的静止质量是零,这也就是为什么光子可以达到光速。因为在相对论效应下,当物质有速度时,质量会增加,时间会变慢。(当然这个效应只有在速度足够快的时候才有明显体现)
而在黑洞这个大质量星体周围,时间会过得非常的慢。同样使用前边说的那块布来类比,假想一个质量为零的点(光子),它的极限速度是c(光速)。
在这块布是垂直的地方,这个光子想要逃逸出去的速度应该是无穷大。那么这个拥有极限速度的光子自然不可能跑得出去,所以事件视界内部我们是看不到的(无法获得任何信息),所以黑洞是黑的。
在这块布凹陷的某处,其逃逸速度刚好是c,那么这个光子在这里,即使是垂直界面向外跑,它也只能维持自己刚好掉不进去但也跑不出去的状态。
而在这个临界处之外很近的地方,这个光子虽然以着在光子看来是光速c的速度逃逸,但是在我们外界开上帝视角来看,这个光子的速度却是很慢。但光子离凹陷越远,它的速度就会越来越快,直到光子到了布平坦的地方,光子又恢复了光速c。
那么我们来想象,你开着飞船,在黑洞边上(布平坦的地方)朝着黑洞扔了只猴子。由于之前所类比的光传出来的速度,离黑洞越近则越慢。那么虽然在猴子自己看来,它自己早就不断加速跌入黑洞了,但是它最终接触到事件视界的那个光信号却无论如何也传不出来,也就是所谓的,在外界看来这猴子永生了。
所以说我后边说的黑洞没吸入东西,其实是耍了个“参考系”的小聪明,其实上黑洞没少吃东西。(手动狗头)
(前边没提到潮汐力这一项,实际上这倒霉的猴子在离黑洞很远的地方,由于其头和脚之间所受的引力不一样大,而被撕裂了。在进入黑洞之前,两个原子之间的引力差已经超过了原子间相互作用力,猴子就已经变成一堆原子了。)
然后继续说,如果看过《星际穿越》的应该记得,黑洞周围的光像是ie浏览器一样的白环,那其实是光因为引力而弯曲了,使得我们看到了黑洞后面的物体。
最后是霍金辐射,在量子力学上,基本粒子并不像我们的常识一样。由于测不准原理,我们不能同时到测准基本粒子的动量和位置。比如说电子,我们不能同时知道电子的具体位置和它的运动状态。所以才有电子云这个概念。
基本粒子是靠薛定谔波函数而测算的,我们只能知道这个粒子在某个时刻出现在某个地方是概率是多少,而总的概率是1,这就是波函数的归一化。
而在全宇宙中会凭空出现一对正反基本粒子,比如说是电子和正电子。(正电子和反电子是一个东西)。这一对凭空出现的基本粒子会立刻再湮灭掉,而在黑洞边上,这一对基本粒子会由于刚出现后反粒子被黑洞吸入,而另一个逃逸而使得黑洞不断损失质量。这就是霍金辐射所导致的黑洞蒸发。也就是黑洞如果不一直吃东西,黑洞早晚会饿死。
对于霍金辐射,我了解的也只有这么多。我也不是这个专业的,也没学过推导过。
希望对被我后边原答案所误导的朋友们能够理顺这个事情。
还有什么不懂的欢迎讨论。
(纯手机打字,全程也没有百度什么的,所以也没有图,见谅)
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分割线,以下是原回答
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首先我们应该思考的是,黑洞真的吸入东西了么。
根据广义相对论,在强引力场下不生效,所以我们只考虑黑洞外引力场没那么强的区域,暂时不考虑黑洞内部的事情。(毕竟物质也是按照这个顺序“慢慢”掉进去的)
以下不列公式,当然我也算不明白,只说结论。
广义相对论下,高速运动或强引力场下会造成时间延缓。所以,如果你在黑洞外安全地站着,你扔了个东西去黑洞。(这是仅考虑无旋无磁,也就是奇点无限小的黑洞)你会看到你扔的东西迅速被吸入黑洞,随着时间推移和潮汐力影响,你会看到物体在跌入的过程中不断被拉伸,最后到基本粒子尺度。
但是你真的会看到这些么?不,以人的寿命远远不够,在物体掉下去之前,时间甚至可以等到宇宙灭亡。
但是在物体视角,它还是妥妥的掉进去了。但是在外界观察者来看,这个物体永远进不去。
所以不要纠结这个问题了。 |
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