黑洞周围的「事件视界」是什么?(黑洞周围的空间是什么样的)


谢邀。以下答案仅限不带电荷不带角动量最简单的史瓦西黑洞,我简单从纯理论的角度来回答一下黑洞周围的事件视界是什么吧。总结来说:事件视界面为无限红移面、光线无法逃逸的区域、黑洞的边界。

我们知道爱因斯坦非常著名的爱因斯坦场方程(Einstein's field equation):

.

其中左边的分量是爱因斯坦张量

,是里奇(Ricci)张量

的组合函数,用来描述时空的弯曲特性。式子右边

是能动量张量,用来描述引力场和物质的能量、动量和角动量。

分别代表光速和引力常数,大家一般在解广义相对论式时,都习惯将这两个量写为 1。

至于如何简单理解爱因斯坦方程我会在后面提及。爱因斯坦场方程看起来非常简洁,但是实际上

代表 0-3,所以一个爱因斯坦场方程有 16 个式子,这就代表你去借一个爱因斯坦方程需要同时解 16 个方程!但是由于这些张量有对称性,所以只需要同时解 10 个方程。对于能动量张量而言,

分量代表系统能量(Energy),

分量代表系统的动量(Momentum),

分量代表系统的总角动量(Angular momentum),具体的对角项就不写了。这些项是不是觉得很熟悉,一个张量就把能一个系统的整个能量、动量和角动量全部联系起来了,也就不难理解爱因斯坦场方程的意义。如果我放一块物质在一个什么都没有的时空当中,这个物质拥有以上的属性,那我们自然而然会得到左边的时空是如何弯曲的。同时,如果我们知道时空是如何弯曲的,我们就可以去解一个系统是如何演化的。且慢,看起来很简单,实际上是非常复杂的,需要给出一定的坐标规范,才能求解出来,具体由于太复杂了也和问题无关,所以我不做相关问题的回答。

回到最简单的情况上,当该系统的动量和角动量全部为 0,只存在能量(相对论中的能量包括物质它本身的能量,即

)这时候爱因斯坦方程就(相对上,真正让人去解还是会哭的)非常好解了。把引力场看成闵氏时空的小量,就可以解出史瓦西度规(Schwarzschild metric),即下式,这个是由史瓦西(Schwarzschild metric)最早解出来的爱因斯坦场方程的解。当然,标准的解法不是我上面说的这些,具体请去看任意一本广义相对论的书。

其中

是时间间隔,可以理解以光运动信号传播信号时的时间间隔,

是质量(包含物质和引力场),

类似于球坐标系是任意点坐标。当初史瓦西写出这个解的时候并没有发觉这个式子与黑洞有关,我们这时候可以来简单理解下这个式子。当

非常大的时候,这个式子就变成了标准的球坐标的闵氏时空:

时空和时间都是标准的。例如我以光信号相隔一段时间传播一个信号,

,即无论你处在哪,以多少速度运动,你作为观者看到一个物体变化的时间与该物体所处空间的变化时间相同。

而对于史瓦西时空我们渐渐缩小

时,

时,

前面的值为 0 或者是正无穷,这就是我们长说的奇点!前者是史瓦西半径(事件视界),被认为是坐标系造成的奇点,这个可以通过选择其他参考系而消除;后者被认为是黑洞的奇点,但物理上不认为存在这种奇点,可能由于一些量子效应并不会存在该奇点。

我们来看黑洞。对于史瓦西时空,现在只看时间

项。我们假设我们作为观者处于无限远,这个时间

项可以简单认为是无限远者的时间。当

趋近于

史瓦西半径时,我们去看处于该位置一个时间的变化,发现对于

的事件而言,我们看到的时间变化变成了接近无穷大。这说明什么?我们将看到该物体永远停在接近黑洞视界面上。它的颜色也会逐渐变红,这是因为对于相同波长的光而言其频率减小了,该物体发出的光会逐渐变红,直至到红外波段我们无法再看到,最终掉入事件视界面无法逃逸。这个在《星际穿越》里,cooper 掉入黑洞前表现的是一样的,认真去看那一段会发现女主听到他频率有一些变化。

对于渐渐进入黑洞的观者他会看到和感受什么呢?观者会看到宇宙演化的越来越快,当它进入到黑洞以前就发现宇宙已经快演化完了。同时,观者看到的光线会逐渐蓝移,且光线完全变成紫外线后,观者将永远看不到任何物体,强烈的紫外线会刺伤你的身体。至于引力的话,观者会感受到极为强大的潮汐力,越靠近黑洞的部分引力差会感觉越大,直至自己被完全撕裂开。

至于进入黑洞以后会怎么样呢?这时候简单的说,时间和位置分量对换了,时间演化相当于你位置的变化,说明你在黑洞中静止的情况就是你不断往黑洞掉落的过程。直至观者掉到奇点处,这时候会发生什么呢,没人知道。也许就像《星际穿越》那样顺利穿越了吧。

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