为什么天文学家把黑洞内部的奇点描绘成一个‘甜甜圈’

首先,忘掉“零点能量/无限密度点”吧。

(物理学中,零点能量,可简称零点能,起源于量子谐振子处在基态时,量子数为零的考量,是量子力学所描述的物理系统会有的最低能量,此时系统所处的态称为基态;所有量子力学系统都有零点能量。在量子场论中,该词汇和真空能量是等义词,指的空无一物的空间仍有此一定能量存在,对一些系统可以造成扰动,并且导致一些量子电动力学会出现的现象,例如兰姆位移与喀希米尔效应;它的效应可在纳米尺度的元件直接观测的到。

在宇宙论中,真空能量被视为宇宙常数的来源,和造就了宇宙加速膨胀的暗能量相关。因为零点能量是一系统可能持有的最低能量,因此该能量是无法自系统移除的。尽管如此,零点能量的概念以及自真空汲取“免费能量”的可能性引起了业余发明者的注目——许多“永动机”或称“免费能量装置”等的提案都运用这项概念来解释。)

时间上的一瞬,空间上的一点,加起来才是黑洞的奇点。黑洞研究:从方程式里的数字,到实际研究中的数据无限小的点,无穷大的质量,宇宙中一切皆有可能!

(经过10多年准备,四大洲8个观测点组成虚拟望远镜网络——一个如同地球直径大小的事件视界望远镜,在集齐所有观测数据并深度分析后,让黑洞终于拥有了一张“正面照”。北京时间2019年4月10日晚9时许,包括中国在内,全球多地天文学家同步公布了黑洞“真容”。该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环。爱因斯坦广义相对论被证明在极端条件下仍然成立。4年前,两个黑洞合并产生的引力波信号被科学家“捕捉”到,成为科学界的一个里程碑事件,人类开始“听”到黑洞。图源:xinhuanet)

黑洞从根本上说是一种四维事物,时空的综合产物,而不仅仅是空间。特别是,史瓦西黑洞的奇点不仅是空间中的一点,也是时间上的一瞬。研究者们在一个史瓦西事件视界里面发现了一个塌陷的宇宙,而且随着时间推移其密度变得越来越大,直至密度变得发散的那一刻来临,世界线终止、再无未来可言。这从时间上说就是奇点,不是空间中的某点。

(引起空间扭曲的小球在三维世界的例子就是黑洞。黑洞事实上是存在于四维空间的一种现象,或者说,黑洞是连接三维世界与四维空间的通道。有可能通过对黑洞的深入研究,找到克服四维空间的办法。图源:sina)

但这样条理清晰的画面只存在于完美球面对称的情况下。当黑洞有角动量时(换句话说,它旋转),就不再是球面对称了。而当径向上的密度变得发散时,切向上的密度却没有。这可以想象成环行的奇特之处,那就是既真又假:如果你希望是真的,可以用合适的绘图软件画出这个奇特的形状,说假是因为这个特性是时间上的一瞬,而不是飘移在空间里的一个几何物体。这个改变造成了黑洞内部的事件视界在时间上那一瞬的来临。

(只有很小一部分黑洞周围拥有大量气体可供吸积,因此能够被我们看到;银河系中的绝大多数黑洞迄今仍然未被发现。图源:huanqiukexue)

我的建议?忘掉点状或环状,除非你想要研究史瓦西或克尔黑洞的四维空间几何结构。如果你想弄清楚这奇特之处是什么,那它的形状不重要,重要的是哪就是时间上未来的一瞬(意即事件视界里一切物质的时间尽头。)

我感谢帕特伦那些大方的支持者。如果你喜欢我的答案,请考虑加入他们。

他们就想努力为角动量为零的爱因斯坦-费尔德方程,找到一个封闭式真空解。

并没有什么建议,也不会尝试去陈述什么是内部结构,或做相关的模型。实际上,初始史瓦西解只是展示有一个封闭式真空解,给到爱因斯坦-费尔德方程。

(史瓦西解。1915年12月,在爱因斯坦发表广义相对论1个月后,德国天文学家卡尔·史瓦西即得到爱因斯坦场方程的精确解,能够对于点质量与球形质量所产生的引力场给出描述。该精确解算出,如果某天体全部质量都压缩到很小的“引力半径”范围之内,所有物质、能量(包括光线)都被囚禁在内,从外界看,这天体就是绝对黑暗的存在,也就是“黑洞”。图源:sina)

点质量真空解,像其他诸多物理学方程爱假设一样,各种假设:当这些维度不重要时,无限小的点质量无穷或起主导作用。

例如,计算木星围绕太阳运行的轨道,并不取决于知晓木星或太阳的半径。知道那些点就行。

几乎没有物理学家,包括爱因斯坦,思考过这些真空解真的预告了黑洞的存在。这点上就不比牛顿的点质量。根据研究,数十年后终于获得了相关证据。此前,这些解不过是数学上的兴趣。

史瓦西解也可用于计算行星轨道,并提供一个比牛顿更精确百亿分之一的解。

对黑洞的研究曾经难以寸进,如今被数值相对论解决了,而不是封闭式真空模型。这不需要点质量或完全真空,就是大型及时。为什么数值相对论能搞定?

没人知道黑洞的内部结构,它有多重,能量如何分布。只有什么进入它,却没出来。这导致的结果是“中心就是未来”:既然载力粒子不能从质量的中心离开,那它们就无法影响中心以外距离所控制的事件。相反,既然光子能围绕中心运动,或者,直线穿行,那收到的光子序列和发射时并不一样。有一种“时间和空间交换了位置”的感觉。如果你在一个没有窗户的盒子中自由落体到黑洞里,不看向外面,你是无法区分星际空间的不同的。忽略潮汐力。

(黑洞中的气体喷射流。黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的,这一过程被称为“吸积”。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。当吸积气体接近中央黑洞时,它们产生的辐射对黑洞的自转以及视界的存在极为敏感。一旦物质被拉向黑洞,它会在黑洞边缘旋转,并在被吞噬之前甩掉部分角动量。磁性便是在这一过程产生的。在气体绕黑洞盘面边缘旋转时,会产生自己的磁场,这个磁场会抛射盘面的气体远离黑洞。这些喷射物会从距离黑洞最近的气体内部“盗取”能量。随后,气体速度慢慢减缓,最终被这个黑暗的魔兽所吞噬。图源:sina)

原本的光子并不环绕运动,而且你已经落到了黑洞中心。打开一扇窗户,那你将注意到一个巨大的不同。

关于黑洞我了解得并不多,那种概念上的奇异性并非零质量/无限密度。d=m/v,the d->inf, 当 v->0时, 任何点的质量>0。

还有,就我所知,我们已经看过的甜甜圈/指环画面,并不是黑洞里面的景观,而是由极大引力引起的空间的剧烈扭曲,因此会被某种足够大的物质堵截住的光,被旋转环绕后显现在“折叠”空间。

光在空间里只能直线传播,即使空间被扭曲了也一直是这样。可以做一个模型:在一张纸上画一条直线,把纸卷起来看看这条直线成了什么样。

(被扭曲的光线,日全食验证广义相对论。图源:tuxi)

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

translate:潘潘

author:quora

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