為什麼天文學家把黑洞內部的奇點描繪成一個『甜甜圈』

2020-11-29 天文在線

首先,忘掉「零點能量/無限密度點」吧。

(物理學中,零點能量,可簡稱零點能,起源於量子諧振子處在基態時,量子數為零的考量,是量子力學所描述的物理系統會有的最低能量,此時系統所處的態稱為基態;所有量子力學系統都有零點能量。在量子場論中,該詞彙和真空能量是等義詞,指的空無一物的空間仍有此一定能量存在,對一些系統可以造成擾動,並且導致一些量子電動力學會出現的現象,例如蘭姆位移與喀希米爾效應;它的效應可在納米尺度的元件直接觀測的到。

在宇宙論中,真空能量被視為宇宙常數的來源,和造就了宇宙加速膨脹的暗能量相關。因為零點能量是一系統可能持有的最低能量,因此該能量是無法自系統移除的。儘管如此,零點能量的概念以及自真空汲取「免費能量」的可能性引起了業餘發明者的注目——許多「永動機」或稱「免費能量裝置」等的提案都運用這項概念來解釋。)

時間上的一瞬,空間上的一點,加起來才是黑洞的奇點。黑洞研究:從方程式裡的數字,到實際研究中的數據無限小的點,無窮大的質量,宇宙中一切皆有可能!

(經過10多年準備,四大洲8個觀測點組成虛擬望遠鏡網絡——一個如同地球直徑大小的事件視界望遠鏡,在集齊所有觀測數據並深度分析後,讓黑洞終於擁有了一張「正面照」。北京時間2019年4月10日晚9時許,包括中國在內,全球多地天文學家同步公布了黑洞「真容」。該黑洞位於室女座一個巨橢圓星系M87的中心,距離地球5500萬光年,質量約為太陽的65億倍。它的核心區域存在一個陰影,周圍環繞一個新月狀光環。愛因斯坦廣義相對論被證明在極端條件下仍然成立。4年前,兩個黑洞合併產生的引力波信號被科學家「捕捉」到,成為科學界的一個裡程碑事件,人類開始「聽」到黑洞。圖源:xinhuanet)

黑洞從根本上說是一種四維事物,時空的綜合產物,而不僅僅是空間。特別是,史瓦西黑洞的奇點不僅是空間中的一點,也是時間上的一瞬。研究者們在一個史瓦西事件視界裡面發現了一個塌陷的宇宙,而且隨著時間推移其密度變得越來越大,直至密度變得發散的那一刻來臨,世界線終止、再無未來可言。這從時間上說就是奇點,不是空間中的某點。

(引起空間扭曲的小球在三維世界的例子就是黑洞。黑洞事實上是存在於四維空間的一種現象,或者說,黑洞是連接三維世界與四維空間的通道。有可能通過對黑洞的深入研究,找到克服四維空間的辦法。圖源:sina)

但這樣條理清晰的畫面只存在於完美球面對稱的情況下。當黑洞有角動量時(換句話說,它旋轉),就不再是球面對稱了。而當徑向上的密度變得發散時,切向上的密度卻沒有。這可以想像成環行的奇特之處,那就是既真又假:如果你希望是真的,可以用合適的繪圖軟體畫出這個奇特的形狀,說假是因為這個特性是時間上的一瞬,而不是飄移在空間裡的一個幾何物體。這個改變造成了黑洞內部的事件視界在時間上那一瞬的來臨。

(只有很小一部分黑洞周圍擁有大量氣體可供吸積,因此能夠被我們看到;銀河系中的絕大多數黑洞迄今仍然未被發現。圖源:huanqiukexue)

我的建議?忘掉點狀或環狀,除非你想要研究史瓦西或克爾黑洞的四維空間幾何結構。如果你想弄清楚這奇特之處是什麼,那它的形狀不重要,重要的是哪就是時間上未來的一瞬(意即事件視界裡一切物質的時間盡頭。)

我感謝帕特倫那些大方的支持者。如果你喜歡我的答案,請考慮加入他們。

他們就想努力為角動量為零的愛因斯坦-費爾德方程,找到一個封閉式真空解。

並沒有什麼建議,也不會嘗試去陳述什麼是內部結構,或做相關的模型。實際上,初始史瓦西解只是展示有一個封閉式真空解,給到愛因斯坦-費爾德方程。

(史瓦西解。1915年12月,在愛因斯坦發表廣義相對論1個月後,德國天文學家卡爾·史瓦西即得到愛因斯坦場方程的精確解,能夠對於點質量與球形質量所產生的引力場給出描述。該精確解算出,如果某天體全部質量都壓縮到很小的「引力半徑」範圍之內,所有物質、能量(包括光線)都被囚禁在內,從外界看,這天體就是絕對黑暗的存在,也就是「黑洞」。圖源:sina)

點質量真空解,像其他諸多物理學方程愛假設一樣,各種假設:當這些維度不重要時,無限小的點質量無窮或起主導作用。

例如,計算木星圍繞太陽運行的軌道,並不取決於知曉木星或太陽的半徑。知道那些點就行。

幾乎沒有物理學家,包括愛因斯坦,思考過這些真空解真的預告了黑洞的存在。這點上就不比牛頓的點質量。根據研究,數十年後終於獲得了相關證據。此前,這些解不過是數學上的興趣。

史瓦西解也可用於計算行星軌道,並提供一個比牛頓更精確百億分之一的解。

對黑洞的研究曾經難以寸進,如今被數值相對論解決了,而不是封閉式真空模型。這不需要點質量或完全真空,就是大型及時。為什麼數值相對論能搞定?

沒人知道黑洞的內部結構,它有多重,能量如何分布。只有什麼進入它,卻沒出來。這導致的結果是「中心就是未來」:既然載力粒子不能從質量的中心離開,那它們就無法影響中心以外距離所控制的事件。相反,既然光子能圍繞中心運動,或者,直線穿行,那收到的光子序列和發射時並不一樣。有一種「時間和空間交換了位置」的感覺。如果你在一個沒有窗戶的盒子中自由落體到黑洞裡,不看向外面,你是無法區分星際空間的不同的。忽略潮汐力。

(黑洞中的氣體噴射流。黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的,這一過程被稱為「吸積」。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特性。當吸積氣體接近中央黑洞時,它們產生的輻射對黑洞的自轉以及視界的存在極為敏感。一旦物質被拉向黑洞,它會在黑洞邊緣旋轉,並在被吞噬之前甩掉部分角動量。磁性便是在這一過程產生的。在氣體繞黑洞盤面邊緣旋轉時,會產生自己的磁場,這個磁場會拋射盤面的氣體遠離黑洞。這些噴射物會從距離黑洞最近的氣體內部「盜取」能量。隨後,氣體速度慢慢減緩,最終被這個黑暗的魔獸所吞噬。圖源:sina)

原本的光子並不環繞運動,而且你已經落到了黑洞中心。打開一扇窗戶,那你將注意到一個巨大的不同。

關於黑洞我了解得並不多,那種概念上的奇異性並非零質量/無限密度。d=m/v,the d->inf, 當 v->0時, 任何點的質量>0。

還有,就我所知,我們已經看過的甜甜圈/指環畫面,並不是黑洞裡面的景觀,而是由極大引力引起的空間的劇烈扭曲,因此會被某種足夠大的物質堵截住的光,被旋轉環繞後顯現在「摺疊」空間。

光在空間裡只能直線傳播,即使空間被扭曲了也一直是這樣。可以做一個模型:在一張紙上畫一條直線,把紙捲起來看看這條直線成了什麼樣。

(被扭曲的光線,日全食驗證廣義相對論。圖源:tuxi)

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

translate:潘潘

author:quora

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    然而,天文學家和物理學家相信,在最短的那幾分之一秒之後,強大的核力和電磁力便分開了,這很可能導致宇宙開始膨脹。大爆炸創造了空間、時間和我們現在所知道的全部物質和能源。黑洞奇點是在一顆質量非常大的恆星的核心坍塌出一個事件視界後形成的。由於這些奇點是極小的,他們擁有無限的密度。
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