Как гравитация ускользает от черной дыры?

Насколько я понимаю, свет не может выйти из черной дыры (внутри горизонта событий). Я также слышал, что информация не может распространяться быстрее скорости света. Мне кажется, что гравитационное притяжение, вызванное черной дырой, несет информацию о количестве массы внутри черной дыры. Итак, как эта информация ускользает? Глядя на это с точки зрения частиц: движутся ли гравитоны (если они существуют) быстрее, чем фотоны?

Теорема об отсутствии волос утверждает, что черные дыры не совсем лишены волос. У них пять волосков: масса-энергия М , линейный импульс п (три компонента), угловой момент Дж (три компонента), позиция Икс (три компонента), электрический заряд Вопрос .
Если вы думаете о гравитации как о силах отталкивания, то имеет смысл предположить, что гравитации не нужно «убегать» из черной дыры. Что не может ускользнуть, так это сила, отталкивающая материю, из-за которой гравитация кажется сильнее.
Я думаю, что это видео объясняет часть этого: ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v4 ; это численное моделирование события слияния черных дыр. Вы можете видеть, что волны не генерируются внутри черных дыр.
Странно, черная дыра не всасывает гравитоны.
Здесь есть несколько хороших ответов, но еще один хороший способ взглянуть на это — нарисовать диаграмму Пенроуза для черной дыры, образовавшейся в результате гравитационного коллапса (см., например, диаграммы здесь physics.stackexchange.com/a/146852/4552). ). Зафиксируйте событие за горизонтом, чтобы представить какое-то время, прожитое наблюдателем. Через эту точку проходят поверхности одновременности, согласно которым черная дыра еще даже не образовалась, так что, если хотите, статическое поле можно просто считать полем предсуществующей материи, из которой образовалась дыра.
Я думаю, что этот вопрос показывает неправильное представление, связанное с неверным представлением о «модели снежного кома» фотонов, где некоторые люди думают, что электроны отталкиваются, потому что они бросают фотоны друг в друга, как два конькобежца отталкиваются, бросая друг в друга снежки. Силы работают не так. Как электроны и позитроны будут притягиваться друг к другу? Частицы взаимодействуют с полями, а фотоны являются квантованием ЭМ поля. Аналогично для гравитации. Вы не можете обвинить непрофессионала в том, что он так думает, потому что именно так это представлено в популярных выступлениях и шоу. Правда сложнее.
@ Бен Кроуэлл: «статическое поле можно просто рассматривать как поле ранее существовавшей материи, из которой образовалась дыра». Я думаю, что ваш комментарий доходит до сути дела и делает все более подробные ответы неуместными. Использование теоремы об оболочке показывает, что она верна и в классической механике (по крайней мере, для случаев со сферической симметрией).

Ответы (20)

Здесь уже есть несколько хороших ответов, но я надеюсь, что это хороший краткий обзор:

Электромагнитное излучение не может покинуть черную дыру, потому что оно распространяется со скоростью света. Точно так же гравитационное излучение не может покинуть черную дыру, потому что оно тоже распространяется со скоростью света. Если бы гравитационное излучение могло выйти наружу, вы теоретически могли бы использовать его для отправки сигнала изнутри черной дыры наружу, что запрещено.

Однако черная дыра может иметь электрический заряд, а это значит, что вокруг нее существует электрическое поле. Это не парадокс, поскольку статическое электрическое поле отличается от электромагнитного излучения. Точно так же черная дыра имеет массу, поэтому вокруг нее существует гравитационное поле. Это тоже не парадокс, потому что гравитационное поле отличается от гравитационного излучения.

Вы говорите, что гравитационное поле несет информацию о количестве массы (фактически энергии) внутри, но это не дает возможности кому-то внутри послать сигнал наружу, потому что для этого им пришлось бы создавать или уничтожать энергию, которая невозможно. Таким образом, никакого парадокса нет.

Обратите внимание, что ВООБЩЕ НЕТ НУЖНОСТИ вводить в это обсуждение какую-либо квантовую механику. Вот почему я специально сказал «электромагнитное излучение» и «гравитационное излучение», а не «фотоны» или «гравитоны».
Было ли доказано, что гравитационное поле вокруг черной дыры не ускользает от гравитации внутри черной дыры или, по крайней мере, часть внутренней гравитации уходит наружу, добавляя к ее внешнему гравитационному полю?
Соглашаясь с тем, что свет/электромагнетизм в целом заключен внутри, я должен не согласиться с любым утверждением в форме «...______ не может выбраться из черной дыры... потому что она... движется со скоростью света". Скорость распространения чего-либо непоследовательна (недостаточная причина/неуместна). Каким бы ни было определение «гравитационного излучения», я верю, что гравитация (например, другого происхождения) может проходить даже через черную дыру.
Запрещенный? Это действительно подходящее слово. Это звучит так, будто мы не должны подвергать сомнению науку, которая по определению является наукой.
@Michael Физики используют «запрещено» более или менее взаимозаменяемо с «невозможно». Оба всегда имеют неявный определитель «... в соответствии с нашими текущими лучшими теориями и аксиомами».
Спасибо за этот ответ. К сожалению, в основном это напоминает мне, что я не знаю, что такое поле на самом деле. :)
Вы говорите «запретить», будто меня приговорят к казни, если я нарушу этот закон.
В чем разница между гравитационным полем и гравитационным излучением? Движется ли гравитационное поле быстрее света, или в чем существенная разница, благодаря которой оно может покинуть черную дыру, в то время как гравитационное излучение не может уйти?
Физически существует только гравитационное поле (также известное как метрика пространства-времени) и законы, управляющие его эволюцией (уравнения поля Эйнштейна). «Гравитационное излучение» — это название явления, которое может проявляться в этом поле, точно так же, как электромагнитное излучение — это явление, которое может проявляться в электромагнитном поле. Важным отличием являются статические возмущения поля и возмущения, изменяющиеся во времени. Черные дыры могут иметь вокруг себя статические поля, потому что эти поля вообще не двигаются. Но любое движущееся возмущение подобно волне распространяется в точке с и не может выйти изнутри.
Важно то, что любые возмущения поля распространяются со скоростью с и не быстрее. Таким образом, никакая информация не может распространяться быстрее, чем c. События влияют только на поле в пределах их светового конуса. Это означает, что если вы находитесь внутри горизонта событий и пытаетесь послать сигнал, раскачивая вокруг себя массу, чтобы она излучала, волны от этого движения могут влиять только на поле внутри горизонта событий, а не за его пределами. Статические поля другие, и они зависят только от граничных условий на поверхности черной дыры, они не зависят ни от чего внутри.
Из-за каузального разделения, характеризующего черные дыры (что оставляет их, по определению, за пределами нашей местности), может быть полезно рассмотреть возможность того, что скорость света внутри них может быть разной: поскольку они происходят либо из пыли (межзвездного вещества, не имеющего давления) или от коллапса звезд, отклонения от «скорости света в вакууме» по крайней мере так же возможны, как легко наблюдаемые отклонения от нее, происходящие в средах (воде и т. д.). Поскольку ЧД были правдоподобно выдвинуты за много десятилетий до рождения Эйнштейна, он иногда упоминал о неточности этой скорости.
Что касается неопределенности ОП в отношении полей, практическое определение может состоять из волн вероятности связанных с ними явлений в будущем наблюдателя, превращающихся в частицы в прошлом этого наблюдателя. Замечание такого рода было процитировано Бэрроу в его бесплатном онлайн-ресурсе под названием «Книга вселенных» или «Книга вселенных».
@KeenanPepper Если я (гипотетически) помашу рукой по земле, это создаст гравитационные волны, которые могут достичь любого расстояния во Вселенной, верно?
@KeenanPepper «Черные дыры могут иметь вокруг себя статические поля, потому что эти поля вообще не двигаются. Но любое движущееся возмущение, такое как волна, распространяется в точке c и не может выйти изнутри». поэтому я понимаю, что свет не может покинуть горизонт событий черной дыры, потому что это частица, путешествующая по искривленному пространству-времени. А гравитационные волны? Часть массы за горизонтом событий черных дыр меняет свое положение, так что это повлияет на то, насколько гравитационно притягивает объекты относительно этого положения, потому что я воздействую на поле, которое простирается за горизонт событий;
пространство, искривленное гравитацией, предотвращает выход фотонов, но поле все еще простирается за его пределы и определяется положением частиц в трехмерном, вероятно, евклидовом пространстве.

Ну, информация не должна ускользать из-за горизонта, потому что она не внутри. Информация на горизонте.

Один из способов убедиться в этом заключается в том, что ничто никогда не пересекает горизонт с точки зрения наблюдателя за пределами горизонта черной дыры. Он асимптотически достигает горизонта за бесконечное время (как измеряется с точки зрения наблюдателя на бесконечности).

Другой способ увидеть это — тот факт, что вы можете получить всю необходимую информацию из граничных условий на горизонте, чтобы описать пространство-время снаружи, но это нечто более техническое.

Наконец, поскольку классическая ОТО — это геометрическая теория, а не квантовая теория поля*, гравитоны — неподходящий способ ее описания.

* Чтобы прояснить этот момент, ОТО может допускать описание в рамках калибровочных теорий, подобных теории электромагнетизма. Но даже при том, что электромагнетизм может допустить вторичное квантование (и быть описанным как КТП), ОТО не может.

Если с точки зрения наблюдателя за горизонтом ничто никогда не пересекает горизонт, то как черная дыра растет и расширяется (с точки зрения наблюдателя)? Ясно, что вы правы насчет граничных условий и т. д. Но тогда вас следует спросить, кто принимал граничные условия? Ясно, что их определяла внутренняя масса, и опять вопрос, как?
Это заблуждение. Ускользающая информация о массе никогда не достигает горизонта. Она закодирована в искривлении пространства вокруг черной дыры (включая часть, расположенную очень близко к горизонту, но большая часть информации не находится близко к горизонту).
@itamarhason предположительно все это прилипает к горизонту, делая горизонт больше
В основном согласен, но горизонт выделять думаю не стоит. Информация о том, что должен делать любой бит пространства-времени, предоставляется соседними битами пространства-времени (плюс уравнение поля), куда бы вы ни посмотрели. А соседние биты по очереди получали свою конфигурацию от своих соседей, и так далее, назад в прошлое.

Давайте кое-что уберем с пути: давайте договоримся не привносить в этот ответ гравитоны. Обоснование простое: когда вы говорите о гравитоне, вы имеете в виду множество вещей о квантовых явлениях, ни одна из которых на самом деле не нужна для ответа на ваш главный вопрос. В любом случае гравитоны распространяются с той же скоростью, что и фотоны: со скоростью света, с . Таким образом, мы можем просто сосредоточиться на классической ОТО, т. е. на дифференциальной геометрии пространства-времени: этого более чем достаточно для ответа на ваш вопрос.

В этом контексте ОТО — это теория, которая говорит, насколько кривизна пространства «страдает» при заданном количестве массы (или энергии, см . Тензор энергии-напряжения ).

Черная дыра — это область пространства-времени, которая имеет такую ​​интенсивную кривизну, что «выщипывает» определенную область пространства-времени.

В этом смысле не так уж плохо понимать, что происходит: если вы можете измерить кривизну пространства-времени, вы можете определенно сказать, движетесь ли вы в область увеличивающейся кривизны (т. е. в сторону блочной дыры).

Именно это и делается: измеряется кривизна пространства-времени, и этого достаточно: в какой-то момент кривизна настолько велика, что световые конусы «переворачиваются». Именно в этот момент вы определяете Горизонт Событий , то есть ту область пространства-времени, где кривизна пространства-времени влияет на причинно-следственную связь.

Вот как вы составляете карту пространства-времени и можете наметить черные дыры. Учитывая, что кривизна пропорциональна гравитационному притяжению, эта последовательность идей полностью рассеет ваши сомнения: из черной дыры не выходит ничего и ничего подобного. Все, что вам нужно, это наметить кривизну пространства-времени, измеряя, что происходит с вашей структурой светового конуса. Затем вы находите свой Горизонт Событий и, таким образом, свою черную дыру. Таким образом, вы получили всю необходимую информацию, ничего не выходя из черной дыры.

Предположим, конечно, очень гипотетически, что внутри черной дыры внезапно образовалась какая-то дополнительная масса. Изменится ли кривизна пространства-времени вне черной дыры? Я понимаю, что это нефизический процесс, но если бы рука Бога протянулась вниз и создала большой кусок вещества прямо внутри горизонта событий, что говорят нам уравнения ОТО о том, сможем ли мы рассказать о событии из вне горизонта событий?
Если бы "Рука Бога" (а мы здесь <a href=" en.wikipedia.org/wiki/… говорим о Марадоне</a> ;-) делали бы что-то подобное, а мы думали бы только о классическом GR , мы можем сказать следующее: можно было бы измерить такое изменение, в том смысле, что изменится кривизна пространства-времени, и мы сможем увидеть, что черная дыра таким образом стала более массивной (кривизна увеличилась).
Следует отметить, что кривизна — это не то, что живет только внутри Черной Дыры: это свойство пространства-времени в целом , и это то, что имеет значение. Глобальные, топологические свойства — очень неинтуитивные вещи. ;-)
Но разве информация не выходит из черной дыры наружу? Я мог бы послать азбуку Морзе, включив и выключив свою массу, верно?
@MarkE: только если бы ты был Богом. Послушайте, суть в том, что мы имеем дело с классической ОТО, а не с квантовой гравитацией и ее эффектами. И в рамках классической ОТО вы просто не сможете изменить какие-либо свойства (заряд, массу, момент импульса) черной дыры изнутри ее. Черная дыра — это просто «приемник» гравитационных полей.
@MarkE: я мог бы открыть свой волшебный набор инструментов и поговорить о голономиях и их связи с орбитами в ОТО (т. е. с замкнутыми геодезическими). И, отображая голономии пространства, вы можете получить информацию о его кривизне. Итак, если вы вращаетесь вокруг черной дыры, вы можете собрать всю информацию о ее кривизне. (Вот почему я сделал этот комментарий о глобальных свойствах пространств: они очень неинтуитивны.)
Итак... если я понимаю, перевернутые световые конусы означают, что информация о массе не исходит из-за горизонта событий (причинность не течет туда). Вместо этого гравитация исходит от горизонта событий, что звучит так, как будто это соответствует ответу @Vagelford. Масса не находится в какой-то сингулярности в центре черной дыры, а распределена по краю? Сфера массы «создает» такое же гравитационное поле, как и та же масса в точке с точки зрения кого-то вне сферы, верно?
@Nogwater: Насколько нам известно, сама масса находится в сингулярности для некоторого определения «есть» (а именно, что собственное время между пересечением горизонта событий и достижением сингулярности конечно). Но, говоря расплывчато, информация о том, сколько есть массы, "отпечатывается" на горизонте, а не "падает" в сингулярность вместе с массой. В более точной форме это называется голографическим принципом .
@Nogwater: Несмотря на то, что DavidZ уже ответил, я просто хочу предложить свои 2 цента: то, что происходит внутри черной дыры (например, увеличение массы), влияет на кривизну пространства-времени, и это можно измерить снаружи. Вы можете понять это с помощью голографического принципа, но вам это не обязательно: это ванильная дифференциальная геометрия (и топология).
Я хотел бы отметить, что существование горизонта событий не является эффектом высокой кривизны. Горизонт событий зависит от причинно-следственной структуры пространства-времени, а кривизна дает вам силу приливных сил. У вас может быть горизонт событий с низкой кривизной. Например, в случае черной дыры Шварцшильда, где горизонт событий находится на радиусе р с знак равно 2 М , если вы вычислите соответствующие компоненты кривизны, которые ∝ М р 3 , вы можете видеть, что на горизонте кривизна масштабируется как 1 М 2 . Таким образом, чем больше масса, тем меньше кривизна.
Ногвотер специально попросил объяснения в терминах гравитонов, так почему мы должны согласиться не приводить их в ответ?
@Daniel Grumiller: В более общем плане вам не нужно соглашаться ни с кем другим. Но в данном конкретном случае причина довольно проста: потому что можно ответить на исходный вопрос, не говоря о возможном квантовании ОТО. Чтобы правильно и научно ответить на исходный вопрос, принимая во внимание гравитоны, рано или поздно пришлось бы вычислять рассеяние света гравитонами (и наоборот), что чрезвычайно усложнило бы более простой ответ.
@Daniel: вам не нужно квантовать гравитацию или фактически вычислять некоторые элементы S-матрицы, чтобы концептуально понять, как и почему (кулоновские) гравитоны «убегают» от черной дыры. Я думаю, что этого достаточно для ответа на этот вопрос...
Конечно, вы, наверное, правы. Но я бы предпочел не использовать больше, чем нужно (с точки зрения допущений или дополнительной структуры): если вы можете ответить каким-то «минимальным» набором допущений, зачем «усложнять» проблему — и приходится иметь дело с ней? с последствиями упомянутых «осложнений» позже? ;-)
Если все, что нам нужно, это кривизна, чтобы почувствовать действие гравитации, то при чем тут гравитационное излучение?

Проблема здесь в непонимании того, что такое частица в КТП.

Частица есть возбуждение поля, а не само поле. В КЭД, если вы установите статический центральный заряд и оставите его там очень долго, он создаст поле Е знак равно к д р 2 . Никаких фотонов. Когда другой заряд входит в эту область, он чувствует эту силу. Вот этот второй заряд разлетится и ускорится, а там у вас будет е − − > е − + γ реакция из-за этого ускорения (классически волны, создаваемые возмущением в электромагнитном поле), но у вас не будет обмена фотонами с центральным зарядом, по крайней мере, до тех пор, пока он не почувствует поле, созданное нашим первым зарядом, который произойдет несколько позже.

Теперь рассмотрим черную дыру. Это статическое решение уравнений Эйнштейна, которое счастливо сидит там. Когда в нее вторгается тестовая масса, она уже установила свое поле. Итак, когда что-то от него отлетает, оно движется по полю, создаваемому черной дырой. Теперь она будет ускоряться и, возможно, «излучать гравитон», но черная дыра только почувствует это после того, как поле излучения пробной частицы войдет в горизонт черной дыры, что она может делать свободно. Но нигде в этом процессе частица не покидает горизонт черной дыры.

Еще одним примером того, почему наивное представление обо всех силах, происходящих из диаграммы Фейнмана с двумя парами ветвей, является бозон Хиггса — вся Вселенная погружена в ненулевое поле Хиггса. Но мы говорим о «создании» «частиц» Хиггса только тогда, когда возмущаем поле Хиггса достаточно, чтобы создать рябь в поле Хиггса — волны Хиггса. Это частицы бозона Хиггса, которые мы ищем на БАК. Вам не нужна рябь в гравитационном поле, чтобы объяснить, почему планета вращается вокруг черной дыры. Вам просто нужно, чтобы поле имело определенное распределение.

Спасибо, для меня это было важным разъяснением!
Если статическое поле E не создает фотоны, то как другой заряд почувствует его присутствие, потому что в КЭД фотоны распространяют силу E... Это похоже на циклический аргумент. Но как другой заряд почувствует статическое поле, если это поле не производит фотонов, опосредующих притяжение?
@shashaank, в данном случае это начальные условия проблемы, но помните, что излучаются только ускоряющие заряды, поэтому любые фотоны, которые «создали поле», излучались, когда заряд был впервые помещен на свое место.
Я с удивлением заметил, читая книгу Cambridge Press 2017 года под названием «Философия космологии», что планеты и звезды иногда называют AS-частицами.
Таким образом, вы как бы говорите, что гравитоны, которые опосредуют силу тяготения между объектом и черной дырой, определенно находятся вне оболочки, и, следовательно, ни один детектор за горизонтом не может подсчитать гравитоны? Истинный?

Я думаю, полезно подумать о родственном вопросе о том, как электрическое поле выходит из заряженной черной дыры. Этот вопрос возник в (ныне несуществующем) разделе вопросов и ответов Американского журнала физики еще в 1990-х годах. Мэтт МакИрвин и я написали ответ, который был опубликован в журнале. Вы можете увидеть это на https://facultystaff.richmond.edu/~ebunn/ajpans/ajpans.html .

Как указывали другие, легче думать об этом вопросе в чисто классических терминах (избегая любого упоминания о фотонах или гравитонах), хотя в случае электрического поля заряженной черной дыры вопрос совершенно корректен даже в квантовой теории. термины: в настоящий момент у нас нет теории квантовой гравитации, но мы думаем, что понимаем квантовую электродинамику в искривленном пространстве-времени.

Хотя во многих отношениях на этот вопрос уже был дан ответ, я думаю, следует подчеркнуть, что на классическом уровне вопрос в некотором смысле задом наперед. Предыдущее обсуждение статических и динамических свойств особенно подходит очень близко.

Давайте сначала рассмотрим игрушечную модель сферически-симметричной тонкой оболочки из частиц пыли, коллапсирующей в черную дыру Шварцшильда. Пространство-время вне оболочки тогда тоже будет шварцшильдовским, но с большим параметром массы, чем у исходной черной дыры (если оболочка начинается в состоянии покоя на бесконечности, то просто сумма двух). Интуитивно ситуация аналогична оболочечной теореме Ньютона, которая является более ограниченным аналогом в ОТО. В какой-то момент она пересекает горизонт и в конце концов исчезает в сингулярности, черная дыра теперь набирает массу.

Итак, мы имеем следующую картину: при схлопывании оболочки внешнее гравитационное поле приобретает некоторую величину, а при пересечении горизонта информация о том, что она делает, не может выйти за горизонт. Следовательно, гравитационное поле не может измениться в ответ на дальнейшее поведение оболочки, ибо это послало бы сигнал через горизонт, например, человек, едущий вместе с оболочкой, мог бы через нее общаться, манипулируя оболочкой.

Следовательно, вместо того, чтобы гравитация обладала особым свойством, которое позволяет ей пересекать горизонт, в определенном смысле гравитация не может пересекать горизонт, и именно это свойство заставляет гравитацию вне ее оставаться неизменной.

Хотя в приведенном выше ответе уже предполагалась черная дыра, это совсем не имеет значения, поскольку для сферически коллапсирующей звезды горизонт событий начинается в центре и растягивается во время коллапса (в предыдущей ситуации он также расширяется, чтобы встретиться с оболочкой). ). Он также предполагает, что ситуация имеет сферическую симметрию, но это тоже оказывается концептуально не важным, хотя и по гораздо более сложным и неочевидным причинам. Прежде всего, теоремы Пенроуза и Хокинга, поскольку некоторые первоначально думали (или, я должен сказать, надеялись ), что любое отклонение от сферической симметрии предотвратит образование черной дыры.

Вас также может интересовать связанный с этим вопрос: если решение Шварцшильда ОТО — это вакуум, имеет ли смысл вакуум искривлять пространство-время? Ситуация несколько аналогична более простой из классического электромагнетизма. Уравнения Максвелла определяют, как изменяются электрические и магнитные поля в ответ на присутствие и движение электрических зарядов, но заряды сами по себе не определяют поле, так как вы всегда можете иметь волну, приходящую из бесконечности без каких-либо противоречий (или что-то более экзотическое). , как везде постоянное магнитное поле), а на практике эти вещи диктуются граничными условиями. Аналогичная ситуация и в ОТО, где уравнение поля Эйнштейна, определяющее, как связаны геометрические объекты, фиксирует только половину из двадцати степеней свободы кривизны пространства-времени.

На мой взгляд, это отличный вопрос, который умудряется поставить в тупик и некоторых опытных физиков. Поэтому я без колебаний дам еще один, более подробный ответ, хотя уже существует несколько хороших ответов.

Я думаю, что, по крайней мере, часть этого вопроса основана на неполном понимании того, что значит опосредовать статическую силу с точки зрения физики элементарных частиц. Как уже упоминалось в своих ответах, вы сталкиваетесь с аналогичной проблемой в кулоновской проблеме в электродинамике.

Позвольте мне ответить на ваш вопрос с точки зрения теории поля, поскольку я считаю, что это лучше всего согласуется с вашей интуицией об обмене частицами (как видно из того, как вы сформулировали вопрос).

Во-первых, никакие гравитационные волны не могут выйти из черной дыры, как вы уже намекнули в своем вопросе.

Во-вторых, никакие гравитационные волны не должны выходить из черной дыры (или из-за горизонта), чтобы создать статическую гравитационную силу.

Гравитационные волны не передают статическую гравитационную силу, а только квадрупольные или более высокие моменты.

Если вы хотите думать о силе с точки зрения обмена частицами, вы можете рассматривать статическую гравитационную силу (монопольный момент, если хотите) как опосредованную «кулоновскими гравитонами» (см. ниже аналогию с электродинамикой). Кулоновские гравитоны являются калибровочными степенями свободы (поэтому можно не спешить называть их «частицами»), и, таким образом, их «вылет» из черной дыры не несет никакой информации.

Это очень похоже на то, что происходит в электродинамике: обмен фотонами отвечает за электромагнитное взаимодействие, но фотонные волны не ответственны за кулоновское взаимодействие.

Фотонные волны не передают статическую электромагнитную силу, а только дипольные или более высокие моменты.

Вы можете рассматривать статическую электромагнитную силу (монопольный момент, если хотите) как опосредованную кулоновскими фотонами. Кулоновские фотоны являются калибровочными степенями свободы (поэтому можно не спешить называть их «частицами»), и, таким образом, их «мгновенная» передача не передает никакой информации.

На самом деле именно так вы имеете дело с кулоновской силой в контексте КТП. В так называемой теории возмущений Бете-Солпитера вы суммируете все лестничные графы с обменом кулоновскими фотонами и таким образом получаете потенциал 1/r в ведущем порядке и различные квантовые поправки (лэмбовский сдвиг и т. д.) в подчиненном ведущем порядке в электромагнитном поле. постоянная тонкой структуры.

Таким образом, можно думать о силе Шварцшильда и Кулоне в терминах обмена некоторыми (виртуальными) частицами (кулоновскими гравитонами или фотонами), но поскольку эти «частицы» на самом деле являются калибровочными степенями свободы, не возникает конфликта с их «побег» из черной дыры или их мгновенная передача в электродинамике.

Элегантный (но, возможно, менее интуитивный) способ прийти к тому же ответу состоит в том, чтобы заметить, что (при некоторых условиях) масса АДМ — для стационарного пространства-времени черной дыры это то, что вы бы назвали «массой черной дыры» — сохраняется. . Таким образом, эта информация обеспечивается граничными условиями «с самого начала», т. е. еще до образования черной дыры. Поэтому эта информация никогда не должна «убегать» из черной дыры.

Кстати, в одной из своих лекций Роберто Эмпаран задал ваш вопрос (сформулированный немного по-другому) в качестве упражнения для своих студентов, и мы обсуждали его не менее часа, прежде чем все остались довольны ответом — или сдались; -)

Интересный ответ, я многому учусь. Не могли бы вы уточнить, что именно вы подразумеваете под «калибровочными степенями свободы»? Являются ли они просто математическими абстракциями или имеют физическое значение?

Я думаю, что лучшее объяснение, которое можно дать, таково: вы должны различать статические и динамические свойства пространства-времени. Что я имею в виду?

Ну, есть определенное пространство-время, которое статично. Это, например, случай прототипа решения ОТО с черной дырой . Так вот, это пространство-время существует априори (по определению статики: оно всегда было и всегда будет), поэтому гравитации на самом деле не нужно распространяться. Как говорит нам ОТО, гравитация — это всего лишь иллюзия, оставленная нам искривленным пространством-временем. Так что здесь нет никакого парадокса: черные дыры кажутся гравитационными (т. е. производящими некоторую силу и динамичными), но на самом деле они полностью статичны и не нуждаются в распространении информации. На самом деле мы знаем, что черные дыры не полностью статичны, но это правильное первое приближение к этой картине.

Теперь, чтобы обратиться к динамической части, под этим можно понимать две разные вещи:

  • Фактическое глобальное изменение пространства-времени, которое можно увидеть, например, в расширении Вселенной . Это расширение не обязательно должно подчиняться скорости света, но это не противоречит какому-либо известному закону. В частности, вы не можете посылать сверхсветовые сигналы. На самом деле верно обратное: при слишком быстром расширении части вселенной могут уйти слишком далеко, чтобы даже их свет когда-либо достиг нас. Они причинно оторвутся от нашего сектора пространства-времени, и он будет казаться нам таким, как будто его никогда не существовало. Поэтому неудивительно, что никакая информация не может быть передана.
  • Гравитационные волны — это просто причудливое название возмущений лежащего в их основе пространства-времени. Они подчиняются скорости света и соответствующие квантовые частицы называются гравитонами. Теперь эти волны/частицы действительно не смогут вырваться из-под горизонта (точно так же, как и любая другая частица, кроме излучения Хокинга , но это особый квантовый эффект).

Гравитация работает не так, как свет (вот почему квантовая гравитация сложна ).

Массивное тело «вдавливает» пространство и время, так что, образно говоря, свету тяжело бежать в гору. Но сам холм (то есть искривленное пространство-время) должен быть там в первую очередь.

Но вы также можете спросить: «Как электрическая сила выходит из заряженной черной дыры», что было бы столь же правильным вопросом.

Голографический принцип дает подсказку, как указал Давид Заславский. Метрический элемент Шварцшильда грамм т т   знак равно   1 – р 0 / р , за р 0   знак равно   2 грамм М / с 2 дает правильное расстояние, называемое координатой задержки

р *   знак равно   р   +   р 0 л н [ ( р − р 0 0 ) / р 0 ]
который расходится р *   →   − ∞ по мере приближения к горизонту. Это означает, что все вещество, из которого состоит черная дыра, никогда не пересекает горизонт с точки зрения удаленного внешнего наблюдателя. Наблюдается, что часы на чем-либо, падающем в черную дыру, замедляются почти до остановки и никогда не пересекают горизонт. Это означает, что ничего не входит и не выходит из черной дыры, по крайней мере, в классическом понимании. Таким образом, на самом деле не существует проблемы выхода гравитации из черной дыры, поскольку, как видно снаружи, на самом деле ничего не проникало внутрь.

«Правильное расстояние» означает получение длины кривой в пространственном гиперсрезе, но р * не производится на поверхности постоянного времени Шварцшильда, поэтому неясно, о чем вы говорите. Для радиальных световых лучей Δ т знак равно ± Δ р * , что имеет отношение к "не видеть", но это происходит от грамм р р , нет грамм т т . «Ничто не входит в черную дыру и не выходит из нее» просто неверно, хотя это было представление до середины 1960-х годов, когда падающие объекты замедлялись и останавливались на поверхности с бесконечным красным смещением. (Например: ускорение в Минковском; вещи явно пересекают горизонт, но этого никто не видел.)
Я должен был сказать правильный интервал. Тороидальная координата указывает на то, что если увидеть что-то с горизонта, то это видно из «бесконечного прошлого». Ничего нельзя наблюдать напрямую, чтобы действительно достичь горизонта событий.
Имеются наблюдательные свидетельства того, что материя пересекает горизонт черных дыр и просто увеличивает массу ЧД в двойных системах. Потому что типичный спектральный отпечаток ударно-волнового нагрева в подобных системах, но с белым карликом в качестве аккрецирующего объекта вместо ЧД, отсутствует. Что бы ни происходило с собственным временем аккрецирующей материи, оно пересекает горизонт.
Наблюдается, что часы на чем-либо, падающем в черную дыру, замедляются почти до остановки и никогда не пересекают горизонт. Это означает, что ничего не входит и не выходит из черной дыры, по крайней мере, в классическом понимании. Нет, это неправильно. См. физику.stackexchange.com/a/146852/4552 .

Различные теории — КЭД, ОТО, классический электромагнетизм, квантовая петлевая гравитация и т. д. — все это разные способы описания природы. Природа такая, какая она есть; все теории имеют дефекты. Если говорить о том, похожа ли гравитация в чем-то на электромагнетизм, то это просто болтовня о том, как люди думают, и ничего существенного о физической реальности не сказано.

Так что, если у нас нет полного представления о квантовой гравитации? Гравитоны — разумная концепция и ключевая часть некоторых единых (или полуединых) теорий поля. Это может быть сложно, потому что, в отличие от других квантовых частиц, гравитоны являются частью искривления пространства-времени и взаимосвязей ближайших световых конусов, когда они пролетают через указанное пространство-время. Мы можем как бы игнорировать это сейчас. Вопрос хороший, и на него можно ответить с точки зрения квантовой теории и гравитонов. Мы просто не знаем, учитывая существующее состояние физических знаний, как далеко мы можем продвинуть эту идею.

Когда заряженные частицы притягиваются или отталкиваются, сила возникает благодаря виртуальным фотонам. Фотоны любят путешествовать с универсальной скоростью c, но они не обязаны. Гейзенберг так говорит! Вы можете сколько угодно нарушать законы сохранения энергии и импульса, но чем больше вы отклоняетесь, тем короче промежуток времени и меньший кусок пространства, в котором вы нарушаете эти законы. Для виртуальных фотонов, соединяющих две заряженные частицы, у них есть пространство между двумя частицами и промежуток времени, соответствующий этому со скоростью света. Это не бегущие волны с четко определенной длиной волны, периодом или фазовой скоростью. Эта плохо определенная скорость может быть выше, чем с, или меньше с тем же успехом. В КЭД пропагатор фотона — волновая функция, задающая амплитуду вероятности виртуального фотона, соединяющего (x1, t1) с (x2, t2), отлична от нуля везде — внутри и вне световых конусов прошлого и будущего, хотя становится неограниченной по величине на легкие конусы.

Так что гравитоны, если они так похожи на фотоны, могут прекрасно существовать вне горизонта и внутри него. В грубом смысле они такие же большие, как пространство между черной дырой и тем, что вращается вокруг нее или падает в нее. Не представляйте их маленькими энергетическими шариками, летящими из центра черной дыры (сингулярность или что-то в этом роде) — даже при снисходительности Гейзенберга это просто не вопрос маленьких частиц, пытающихся пройти через горизонт неправильным путем. А гравитон наверное уже с обеих сторон!

Я подозреваю, что для более удовлетворительного ответа нужно знать математику, преобразования Фурье, тензоры Римана и все такое.

ЭМ и гравитационные поля зависят от конфигурации зарядов/масс, а не только от общего заряда/массы. Если бы внешнее ЭМ/гравитационное поле черной дыры исходило от зарядов/масс внутри с помощью какого-то сверхсветового механизма, вы могли бы посылать сигналы изнутри наружу, перемещая заряды/массы внутри, чтобы изменить внешнее поле. Но это на самом деле не работает.

Бежать не нужно (немного другая перспектива).

До сих пор было много хороших ответов, но нужно упомянуть несколько вещей. Неясно, где именно должна находиться масса черной дыры. Где обитает масса? Это одно. Другое дело, как сама по себе масса/энергия в гравитационном поле вписывается в эту картину?

Я думаю (и, без сомнения, меня за это будут безжалостно бить), что масса черной дыры рассредоточена по внешнему гравитационному полю и больше нигде. Масса черной дыры полностью и исключительно находится в гравитационном поле вне дыры. К счастью для меня, я здесь не совсем один.

Расчет полной энергии гравитационного поля черной дыры (или любого сферического объекта) был сделан в 1985 году кембриджским астрофизиком Дональдом Линден-Беллом и почетным профессором Дж. Кацем из Института физики Ракаха. http://adsabs.harvard.edu/full/1985MNRAS.213P..21L , Их вывод состоял в том, что полная энергия поля равна ... (здесь барабанная дробь) ... mc^2 !!!

Полная масса ЧД должна целиком и только заключаться в собственной энергии искривления пространства-времени вокруг дыры !

Вот пара цитат из статьи: «...энергия поля вне черной дыры Шварцшильда составляет Mc^2». и «... все эти формулы приводят к тому, что вся масса черной дыры приходится на энергию поля вне дыры».

Таким образом, ответ на ваш вопрос таков: информация о массе черной дыры не должна ускользать изнутри черной дыры, потому что внутри черной дыры нет массы. Вся масса распределяется в поле вне отверстия. Никакая информация не должна ускользать изнутри.

Поскольку нет четких ответов, представленных другими, я выбираю это как наиболее близкий ответ, потому что он намекает на то, что присутствие массы черной дыры сжало ткань пространства, а сжатая ткань пространства заставляет эффект гравитации действовать на любые другие. ближайшая масса в пределах его сферы влияния.
@GeorgeJones Спасибо за голосование, Джордж, но наличие черной дыры не сжимает ткань пространства, а истончает ее. Чем ближе к дыре, тем тоньше становится пространство. На горизонте плотность энергии самого многообразия стремится к нулю. Это строго подразумевает, что черные дыры — это в буквальном смысле дыры или полости в пространственно-временном многообразии (недавняя квантовая теория межсетевого экрана также поддерживает это понятие). Вот хорошая иллюстрация физики на одну страницу: dcgeorge.com/images/TheMeaningOfMatter/…
может быть, вы правы, когда находитесь рядом с черной дырой, но я считаю, что тела в космосе, такие как наша Земля или наше Солнце, действительно сжимают ткань пространства, это сжатие искривляет свет и вызывает гравитационное линзирование. А потом, как вы говорите, ткань пространства рушится, когда на эту ткань воздействует огромная гравитация черной дыры. Большой вопрос, из чего состоит эта ткань. поищу ваши фото, спасибо
посмотрите на предыдущую выписку, ваш адрес не появился?
@Wookie - Если само пространственно-временное многообразие имеет внутреннюю энергию, и вся масса / энергия, связанная с черной дырой (mc ^ 2), находится за пределами дыры, рассеянной в гравитационном поле, я не вижу другого вывода. Это говорит мне, что черная дыра — это всего лишь дыра в коллекторе. Все, что есть в черной дыре, — это ее гравитационное поле. Итак, отвечая на ваш вопрос, да, мне кажется, что в радиусе Шильда нет пространства-времени. (Теория брандмауэров соглашается, чего бы это ни стоило).

Черная дыра действительно «утекает» информацию, но не из-за «гравитации», а в форме излучения Хокинга. Оно основано на квантовой механике и представляет собой тепловое излучение с чрезвычайно низкой интенсивностью. Это также означает что черная дыра медленно испаряется, но в масштабе времени, сравнимом с возрастом Вселенной.

Происхождение этого излучения можно описать немного маханием рукой так: из-за квантовых флуктуаций в вакууме происходит рождение пары частица-античастица. Если такое образование пары произойдет на горизонте, то одна из пары может упасть в черную дыру, а другая убежать. Чтобы сохранить полную энергию (поскольку флуктуации вакуума около 0) с частицей, которая теперь улетает, ее упавшая пара должна иметь отрицательную энергию с точки зрения черной дыры, поэтому она эффективно теряет массу. Внешний наблюдатель воспринимает весь этот процесс как «испарение».

Это излучение имеет распределение, описываемое «температурой», которая обратно пропорциональна массе черной дыры.

Можете захотеть проверить http://en.wikipedia.org/wiki/Hawking_radiation и другие источники для более подробной информации...

Я думаю, что все слишком усложняют свои ответы. Во-первых, как указывали многие, гравитационное излучение (опосредованное гравитонами в квантово-механическом контексте) не может выйти из внутренней части черной дыры.

Что касается того, как «ускользает» информация о массе черной дыры, ответ для коллапсировавших и вечных черных дыр разный. Для коллапсирующих черных дыр световой конус прошлого внешнего наблюдателя пересекает всю массу, которая окажется в черной дыре , прежде чем она пересечет горизонт, поэтому наблюдатель может «увидеть» всю массу. Для вечных черных дыр внешний наблюдатель может «увидеть» сингулярность белой дыры, которую вы получите, максимально расширив метрику Шварцшильда, которая «сообщает» наблюдателю массу черной дыры.

информацию несет не гравитация — мы просто узнаем о черной дыре, наблюдая за действием гравитации на объекты, находящиеся рядом с ней (как вы правильно заметили, ничто не ускользает от черной дыры после пересечения горизонта событий, поэтому мы ничего не делаем). о том, что происходит с объектами после этой точки, за исключением того, что их больше никогда не наблюдают). Гравитация — это сила, и нам нужно, чтобы она где-то действовала, прежде чем делать выводы о ее динамических характеристиках.

Я думаю, что правильное объяснение того, почему черная дыра обладает гравитацией, — это квантово-механическое объяснение, но я думаю, что во многих ситуациях, включая эту, квантовая механика моделирует классическую механику, поэтому я объясню, как возможно, что классическая механика предсказывает, что черная дыра дыра имеет гравитацию. Прочитав ответ Quora, я думаю, что согласно общей теории относительности гравитационное поле вне черной дыры является самоподдерживающимся и не вызвано материей внутри черной дыры, а гравитационное поле вне черной дыры постоянно создает гравитационное поле. поле внутри работает так, как оно есть. Согласно видео на YouTube https://www.youtube.com/watch?v=vNaEBbFbvcY, мы даже не знаем, что материя не исчезает, когда достигает сингулярности. Я не совсем понимаю, как работает общая теория относительности, но, узнав о законах сохранения, я подозреваю, что когда небольшой твердый объект падает в сверхмассивную черную дыру, он подвергается крайне слабому гравитационному нагреву и выделяет гораздо меньше энергии, чем его масса, умноженная на с 2 и в результате гравитационного поля объекта увеличение массы черной дыры, определяемое силой ее гравитационного поля, увеличивается почти точно на массу упавшего объекта. Хотя это классически объясняет, как это возможно для существования черной дыры вселенная действительно следует квантовой механике, поэтому вам может быть интересно, как гравитоны покидают черную дыру.

На самом деле, изолированная черная дыра любой массы, заряда и углового момента имеет неизменное гравитационное поле, поэтому она не излучает гравитоны, за исключением, может быть, действительно сверхнизких энергий, в том числе вызванных медленно меняющимся гравитационным полем, вызванным излучением Хокинга. Я думаю, что две вращающиеся черные дыры излучают гравитационную волну, поэтому они испускают гравитоны с более высокой энергией. Согласно квантовой механике, частицы могут функционировать как волны, поэтому я думаю, что гравитоны создаются за пределами обеих черных дыр с крайней неопределенностью положения, и если бы волновая функция могла коллапсировать почти точно до собственной функции оператора положения, мы бы наблюдали интерференцию. каждого гравитона с самим собой, но я не

Обновлять:

В отличие от того, что было раньше, теперь у меня большие сомнения в том, что фотоны действительно существуют, так что, возможно, то же самое относится и к гравитонам. Сначала я предположил, что их может не существовать, когда подумал о том, как лучше классически можно объяснить нагрев пищи в микроволновой печи путем нагревания за счет электрического сопротивления. Итак, я начал задавать вопрос, а затем обзор дал мне вопрос Можно ли объяснить фотоэлектрический эффект без фотонов? и его ответ Можно ли объяснить фотоэффект без фотонов? говорит, что фотоэффект можно объяснить без фотонов.

Привет, я видел ваш комментарий в ветке «Большой взрыв произошел в какой-то момент», и я был бы рад, если бы вы попытались ответить на этот вопрос здесь, касающийся накопления материи во Вселенной: physics.stackexchange.com/ вопросы/583241/…

Черная дыра передает гравитацию через виртуальные гравитоны. Однако его не следует путать с любыми виртуальными глюонами, покидающими черную дыру. Гравитоны не могут покинуть черные дыры, как свет не может покинуть черную дыру. Так просто не бывает. Вместо этого ее следует рассматривать как черную дыру, искажающую гравитационное поле (или электромагнитное поле для передачи электромагнитного заряда), чтобы показать Вселенной, что у нее есть гравитационное поле. Любые гравитоны, созданные внутри черной дыры, никогда не покидают черную дыру. Вместо этого черная дыра искажает пространство и любое другое квантовое поле, создавая виртуальные гравитоны и виртуальные фотоны, чтобы сообщить о своем присутствии Вселенной. Теорема об отсутствии волос утверждает, что электрический заряд, масса и вращение сохраняются в черной дыре. С точки зрения физики никакое другое свойство не сохраняется.

https://en.wikipedia.org/wiki/No-hair_theorem

Их следует рассматривать как поля, а не как частицы, поскольку все частицы являются возбуждениями квантовых полей. Это также является той же причиной, по которой происходит хокинг-излучение. Черная дыра возмущает электромагнитное поле (могут быть и другие поля) и создает фотон с отрицательной энергией и фотон с положительной энергией, и отрицательная энергия падает в черную дыру, и это приводит к тому, что черная дыра теряет массу. Даже здесь ничего не покидает черные дыры, а также поля передают силу. Все частицы являются просто вибрациями своего конкретного поля.

Во-первых, гравитационные эффекты черной дыры ощущаются вне черной дыры. Гравитация — это кривизна пространства-времени, она уже присутствует за пределами черной дыры и всегда будет существовать в некотором количестве для материи, существующей во Вселенной. Ему не нужно убегать и ничего не делает.

Обратитесь к этому:

«Почему ты не можешь выбраться из черной дыры?» от Научного убежища

Релятивистская формула для радиуса черной дыры: г=2 Г М/с^2. Ньютоновская скорость убегания равна; г=2 гM/v^2, где v — скорость снаряда. Мы видим, что они одинаковы после замены v на c. Тот факт, что излучение является массивным или безмассовым, не имеет значения, так как оно исключается из окончательного уравнения — подобно падению за одинаковое время деревянного и железного шара в эксперименте с башней для пиццы. Безмассовый шар сделал бы то же самое!! Именно так люди предсказали существование черной дыры в первую очередь и задолго до ОТО. Используя классические рассуждения, мы могли бы сказать, что излучение — это испарившаяся материя, а материя — это сконденсированное излучение с коэффициентом преобразования, заданным Эйнштейном в E=mc^2. Излучение все время движется в точке с, и в результате симметрии пространства и излучение, и вещество соблюдают строгое сохранение импульса. Теперь, если импульс сохраняется, Теорема Бертрана доказала, что силы между частицами на орбите обратно пропорциональны квадрату. Это означает, что и ньютоновская, и кулоновская гравитация, и электростатические силы являются следствием сохранения импульса. Приняв, что все силы распространяются в точке c, закон обратных квадратов можно представить в виде запаздывающего интеграла, чтобы получить полное уравнение Максвелла и уравнение линейной ОТО (гравитомагнетизм). Тогда излучение выходит из этих уравнений как член помимо магнетизма. Поскольку скорость убегания черной дыры равна c, ни гравитационные, ни электромагнитные волны не могут ускользнуть, как хорошо известно. Однако, если частота этого излучения чрезвычайно мала или масштаб времени чрезвычайно велик, например, в масштабе возраста Вселенной, проблема возвращается к статической (приблизительно). т.е. больше нет замедления. Это приводит к тому, что за пределами черной дыры снова появляются статические электрические и гравитационные силы. Это объясняет, как черные дыры блокируют выход света и материи, но не гравитации и статических электрических сил.

Мы можем думать о гравитации на расстоянии как об энергетическом уровне. Тогда вопрос о том, как гравитация покидает черную дыру, не имеет значения!

Как гравитация ускользает от черной дыры?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 3v