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宇宙黑洞里面是什么?(黑洞内部究竟是什么样的?)(图文)

发布时间:2021-07-11 08:32:35 作者:编辑 栏目:知识 阅读量:()

宇宙黑洞里面是什么?(黑洞内部究竟是什么样的?)

相信大家对黑洞都有了一定了解。今天我们来继续讨论一些更深入一点的话题。提前说下这次的内容可能会超出大家原本对黑洞的认知,不过放心我所说的内容都是建立在已发表的学术论文之上,只是尽量简化,换一种通俗的方式来表述。不过能力有限,肯定有不准确的地方,还请大佬指证。另外需要说的一点就是,关于黑洞本质的研究目前都偏理论,所以都不是什么实锤的定论。

黑洞内部究竟是什么样的?可能超出你的想象

对于黑洞,相信大家都会有一个疑问,就是黑洞的内部究竟是什么样?这个问题可以算是一个关于黑洞的终极问题,虽然我们能通过广义相对论来推测其内部结构,但无论是史瓦西黑洞的奇点还是克尔黑洞中的奇环,这些都只是建立在几何学上的一种数学解,所以对于这种传统意义上的黑洞模型,可以说它更像是一种数学黑洞。对于真正存在于现实中的物理黑洞来说叽叽歪歪吧,它的内部究竟什么样?质量是怎么分布的?是不是集中在一点,这都不好说。相对于纯数学上的黑洞来说,对于我们普通人显然更关心的还是现实中的物理黑洞。但是在回答这个问题之前,我们先把视线放到黑洞的视界面外。毕竟只要不进入黑洞多少,我们还是有点观测手段的,理论上还有一探究竟的可能性。

如果从外部观察者视角来看,掉入黑洞的跌入者在靠近黑洞的过程中,他所受到的引力会越来越大。由于引力红移,他发出来的光线的波长会被拉得越来越长,直到抵达无限红移面,波长被拉到无限长,所以我们看到他先是会变得越来越红,然后会变得越来越暗。因为波长慢慢超出了可见光波段。同时,由于引力导致的时间膨胀效应也会越来越凸显,也就是我们看到这个人的动作会变得越来越慢。从时间线上来说的话,它最终会静止在视界面上,也就是说它的时间在黑洞表面停止了。

黑洞内部究竟是什么样的?可能超出你的想象

那么问题来了,根据广义相对论,对于跌入者本人来说,他肯定能顺利进入黑洞,这都没有疑问。但是对于我们外部观察者来说,这个黑洞到底有没有把它吞掉呢?刚才说了外部看的话,他会永远静止在黑洞表面。所以按理说黑洞永远不会把它吞掉,也就是所有要被黑洞吞噬的物质,最终都应该被冻结在视界面上,而不会落入黑洞。但是实际上在现实中,我们又真真切切看到了黑洞确实是在不断地通过吞噬周围物质而在慢慢变大,这是为什么呢?是不是想不通?其实不光是你,物理学家也同样想不明白,一直困扰了几十年。这个问题被称为冻结星疑难,也叫冰冻星悖论。

黑洞内部究竟是什么样的?可能超出你的想象

其实在这之前,钱德拉塞卡已经计算出恒星最终的归宿可能不止白矮星这一种情况。当质量大于1.44倍太阳质量时,也就是钱德拉塞卡极限,恒星残骸将会继续探坍缩。但是由于当时还没有中子星的概念,所以大家认为恒星如果还继续坍缩的话,那肯定会坍缩到一个体积无限小地点上,这个结论听起来就很扯,所以钱德拉塞卡的这一理论一直不被科学界认可。后来随着核物理的发展,人们认识到在白矮星这种电子简并态之后,可能还存在着稳定的中子简并态,所以兹威基他首先构想出了中子星的概念。虽然兹威基本人有着很强的物理直觉,但他的数学能力比较一般,所以最先把中子星模型建立起来的还要说是奥本海默。

1939年初,奥本海默和他的学生沃尔科夫合作发表了叽叽歪歪吧一篇文章,从理论上证明了稳定的中子星是可以存在的。紧接着在同一年的夏天,奥本海默再次发表文章,这篇文章描述了对于质量足够大的恒星,当燃料耗尽时整个恒星向中心坍缩将会是持续性的,直至坍缩到他的引力半径,此时的光波被无限拉长,从而外界无论在各个波段都无法看到该天体发出的任何辐射。当然霍金辐射除外,要不霍金怎么说,黑洞其实不应该叫黑洞,应该叫灰洞。

如果说当初史瓦西计算出来的结果仅仅是个基于爱因斯坦场方程得到的抽象的数学解。那么奥本海默的理论真正赋予了黑洞可能存在的现实意义,虽然当时还不叫黑洞,黑洞这个词是后来1969年惠勒的提出来的。不过在这叽叽歪歪吧篇划时代的论文中埋藏了一个深刻的问题,就是根据广义相对论恒星坍缩形成的黑洞会存在两种截然不同的结果。对于恒星本身来说,它可能只需要几天就会坍缩成黑洞。但是对于外部观察者来说,我们只能看到恒星的半径会缩小,然后逐渐接近他的引力半径。注意,这里涛涛表述的意思是物质只能坍缩到视界面处,并不能继续坍缩到奇点。也就是在外界来看,物质都被冻结在了视界面上,这也是这种天体被称为冻结星的原因。虽然冻结星这个词现在已经不用了,早就被淘汰了,但是这个关于冰冻星的悖论却一直没有解决。

黑洞内部究竟是什么样的?可能超出你的想象

当外界看到跌入者靠近黑洞时,跌入者在足够靠近视界面的那一刻,他就已经和黑洞作为一个整体增加了黑洞的引力。这时候,你可以把跌入者和原先的黑洞一起看成是新的黑洞。而这个新的黑洞的总质量因为包含了跌入者的质量,所以相对于之前的黑洞来说,质量确实是增加了。因此原黑洞的视界面半径会扩大一点,从而把这个即将进入的物质给吞掉。所以这也意味着物质最终还是落入了黑洞,只是说它不会到达中心的奇点。如果想明白这点之后,那我们就可以试着回答下最开始的那个问题,黑洞的内部究竟是个什么样?答案可能是被黑洞吞噬的物质可能像千层饼一样遍布在黑洞内的各个地方,具体取决于整个坍缩以及吸积击的过程。

黑洞内部究竟是什么样的?可能超出你的想象

物质为什么不会继续落入奇点,因为对于外界来说,这里的时间已经被冻结了,这样也同时解决了裸奇点问题。关于裸奇点,简单说下就是对于带电的r-n黑洞或克尔纽曼黑洞来说,理论上如果过度增加电荷将会破坏其视界面,从而导致中心的奇点暴露出来,成为裸奇点,但是奇点这个东西,根本不属于我们这个时空,它属于黑洞内的时空。如果他被裸露到我们的时空,完全无法想象会出现什么情况,所以彭罗斯曾提出宇宙监察假设。就是说宇宙中存在一位监督者,他禁止裸奇点的出现。当然这并不是说真的有一个像上帝一样的人在那盯着,他可能就是一条未知的,类似物理定律或者数学公理一样的宇宙规则。这个规则就是如果自然界产生一个奇点,那就必然会产生一个视界面,把它包起来。

黑洞内部究竟是什么样的?可能超出你的想象

正如一个开始所说,关于黑洞本质的研究都是理论推测,不是定论,不同人有不同的模型,就像一道题有多个解法一样,只是现在大家的解法都还不完美,或许还是要等到引力量子化那一天了。好了,本次文章到这里就结束了。

关键字: 黑洞

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