5個關於黑洞的問題,讓你重新認識下它

2021-01-19 天文在線
百家號獨家內容。

1.我想知道如果兩個黑洞相撞會發生什麼,它們會不會變成一個黑洞?會不會釋放出X射線或者伽馬射線?

如果兩個黑洞相撞,它們確實會變成一個黑洞。沒有X射線、伽馬射線或者其他電磁輻射釋放出來,但是會產生大量的引力波。為了理解這些,參考愛因斯坦引力的通常概念,作為扁平橡膠板的時空,當上面有一大塊物體的時候,它會產生彎曲(例如,保齡球壓在橡膠板上會產生凹痕)。如果幾個巨大的物體彼此靠近並且移動,則凹痕會移動並且產生漣漪。這些時空漣漪就會產生引力波,並且可以在接下來的五到十年內通過各種實驗檢測到它們。

2. 如果黑洞的逃逸速度超過光速,此時光速是已知的最快速度,由於黑洞重力引起的物體加速度會超過光速嗎? 我們的想法是摩擦或終端速度因素會影響最終速度。

一個有趣的問題。換句話說,我想你在問:如果一個物體落入黑洞,當它進入黑洞(即在黑洞的視界線)時,它會比光速快麼?

答案就像許多涉及相對性的問題的答案一樣,可以通過非常精確的測量得到。在這種情況下,我們需要測量速度來準確探索,所以請耐心等待。

假設你進行了以下的實驗(如果你願意,可以實際執行一下)。拿出一個籃球,舉到你的頭部高度,然後放手。接下來會發生什麼?很明顯,它會下降。因此當它撞到地面的時候會獲得不錯的速度。

現在,站到你的桌子上,然後再次拿出籃球,跳下桌子,同時鬆開籃球。會發生什麼?直到你碰到地面,籃球似乎沒有相對於你移動,儘管坐在座位上學生看到的不是這樣。

當然,你測量的速度取決於你的移動方式,而不僅僅取決於籃球的運動方式。

到目前為止,我還沒有介紹任何關於黑洞的內容。但是,我們可以做相同的實驗(儘管我不建議你這樣做)。把籃球從休息處扔向黑洞,那麼它軌跡上的任意一點速度是多少?顯然,這取決於你的行動方式。如果你相對與黑洞靜止,球會以一個速度移動,但是如果你也在下降,那麼球將會以較低的速度移動。

考慮到這一點,我們可以更精確一些。讓我們把球從遠離黑洞的休息處丟下去。我們測量球的速度是由球相對於我們,在一些位於黑洞之外的地方,並且我們沒有相對於黑洞運動。我們可以說,我們越接近黑洞(總是相對於黑洞靜止),球移動的越快。如果我們只是在地平線之外,那麼球會勉強加速到接近光速。外推一下,這似乎表明,如果我們在洞內進行相同的測量,球會看起來比光速更快。

但是,事實並非如此!要想看到這一點,請考慮一下你是如何保持靜止的。當你站在地球上的時候,會有重力拉著你,但是你仍然留在原地,因為地板會給你一個相反的同樣大的力。你感受到的力就是地球對你的引力 。以相同的方式,相對於黑洞靜止,需要一些力來平衡黑洞對你的引力。

假設這個力是由天棚提供的,你越接近黑洞,提供的這個力就越大。在黑洞邊緣,理論上這個力是無限大的。沒有天棚,沒有火箭可以讓你在那個時候保持靜止,在黑洞邊緣內,你一定會掉進黑洞。

我們在前面討論過,如果你掉進黑洞,你測量的球的速度會比你靜止時測量得到的速度小。同樣的道理,因為你正在下降,你會測量到一個較小的速度,它總是會小於光速的,即使只小一點。實際上,沒有觀察者測量的物體的速度大於光速,無論是在黑洞內或者黑洞外。請注意,我寧願不在黑洞內進行試驗來確定理論的正確。

3.「邊緣在哪裡」。它已經在「宇宙的結構」中向我解釋,我們的宇宙就像一張紙。由於最近從黑洞研究中獲得的知識,我已經明白,結構被彎曲並且進入黑洞中必須到達某一個地方,雖然「哪裡」不是我問的問題。但是我問的是結構來自哪裡,就像地球上的構造板塊一樣,如果宇宙將結構「回流」到其他地方以在宇宙中形成更大的物質並保持結構的運轉,那將是有意義的。

我們最終會用完結構還是從其他地方帶出結構?

我喜歡你的問題,雖然我不能給出一個完全滿意的答案。 時空結構起源於何處,類似於「大爆炸之前發生的事情?」或「什麼是時空擴展?」 我們沒有完整的答案。 例如,似乎有可能時間本身在宇宙大爆炸中存在,並且似乎隨著宇宙膨脹,時空變得越來越大。 鑑於宇宙的數量因壓倒性因素而擴大,我懷疑我們不會耗盡結構。 儘管如此,我喜歡你對構造板塊的類比,並且不排除在某些未來點可以沿著這些線條發展理論的可能性。 也許你會成為那個人!

4. 當我在天文學課上學習黑洞時,我想到了幾個問題。 如果一個黑洞繼續吸收物質,奇點難道不應該變得更大? 如果一個黑洞吸入光線,它難道不應該吸入質子或電子,從而變得更大?

對於天文學家來說,黑洞是一個非常有趣的研究課題,主要是因為在這一點上我們有更多的問題而不是答案!

你是對的:如果一個黑洞正在積極地「吸入」物質(我們稱之為吸積),那麼這個物質會將其整體質量/能量貢獻給黑洞。愛因斯坦的一個更著名的方程式將質量和能量聯繫為E = mc ^ 2,其中E是能量,m是質量,c是光速(在這種情況下,它升高到第二次冪,或平方)。

這意味著質量和能量基本上是同一事物的兩個方面,因此當黑洞聚集物質時,它也會吸收與此物質相關的大部分能量。實際上,一些能量可能會以光的形式逃逸,也許是作為一種噴射形式的相對論流出,你也可以在課堂上學到這些。但是對於實際上讓它通過視界線進入黑洞的每一點物質,這個洞都會獲得那麼大的質量/能量。由於質量和能量之間的等價性,當黑洞吸收輻射時也會發生同樣的事情。我們傾向於認為物質具有質量,而輻射具有能量,但對於黑洞來說,兩者相同。因此,無論是物質還是輻射都會增加,黑洞將會有質量/能量的淨增益,這可以被認為是奇點本身獲得的質量/能量。

有趣的是,這種向外表現的方式是增加黑洞的有效尺寸,也稱為視界線的半徑。 所以基本上如果黑洞增加,它通常會變得更大,也更大。 我說「一般」是因為如果黑洞是在相反的方向上移動物質而不是黑洞旋轉,那麼情況就不一定如此,但是這可能會變得相當複雜,所以現在讓我們假設我們在「順行」而不是「逆行」 。簡單地說,是的,因為黑洞增加了物質,黑洞確實獲得質量/能量,因此它變得更大,並在時空結構中造成更大的引力下沉。

5. 我們一直在談論黑洞。 我知道光不能從黑洞中逃脫,但重力是如何逃脫的呢? 我們所知道的最快速度不是光速嗎? 黑洞是如何吸收光的? 光沒有任何質量,它是能量,還是有質量?

你是對的,認為光和其他形式的物質和能量都不能逃過黑洞。 那麼重力和引力波是如何工作的呢? 首先,讓我們了解重力是什麼。 重力是一個巨大的物體對周圍環境的影響,它吸引其他物體。 重力通過引力波在宇宙中傳播。 與光子類似,引力波都是能量,它們以光速傳播。 引力波沒有被黑洞捕獲的原因是因為它們發射在外部而不是發射在黑洞內部。 如果我們能夠看到引力波,它們看起來就像水被石頭撞擊後水面上的漣漪。 同樣地,在這種情況下,漣漪是由石頭引起的,它們不是從石頭本身散發出來的,而是在水中形成並傳播開來。

現在,如果重力是一個巨大質量的物體對另一個巨大質量的物體的影響,對於全是能量沒有質量的光子,黑洞的重力怎麼能捕獲光子呢?逃離黑洞的引力與速度有關,與質量的關係略小。當物體的速度不夠高而無法逃脫的時候,物體會被黑洞困住。即使所討論的物體沒有質量,例如光子。因為距離黑洞一小段距離(稱為視界線),即使光速也沒有足夠的速度逃脫,光子也被困住了。巨大的物體更容易被捕獲,因為我們知道它一定比光速慢。而且你的體積越小,你被允許移動的速度越快,又會增加你逃逸的機會。只要確保你沒有用光燃料。

----感謝你對黑洞的興趣--

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. Tamara Bogdanovic

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