Почему ты не можешь выбраться из черной дыры?

Карсон Майерс

Почему ты не можешь выбраться из черной дыры?

Я понимаю, что горизонт событий черной дыры формируется на радиусе от сингулярности, где скорость убегания равна с . Но также верно и то, что вам не нужно увеличивать скорость убегания, чтобы уйти от объекта, если вы можете поддерживать некоторую тягу. Вы могли бы оторваться от земли на скорости 1 км/ч, если бы могли поддерживать надлежащую тягу в течение достаточного времени. Так что, если вы пройдете прямо под горизонтом событий, разве вы не сможете прорваться обратно, несмотря на > с скорость убегания? Или это ограничение связано исключительно с релятивистскими эффектами (остановкой времени для сторонних наблюдателей на горизонте событий)?

Омар

Тяга просто помогает вам разогнаться до точки, где вы достигаете космической скорости. Никакой тяги не хватит, чтобы достичь скорости света.

Кит Томпсон

@ Омар: Да, но в чистой ньютоновской физике вы можете убежать, даже не достигнув скорости убегания с поверхности . Это невозможно только из-за релятивистских эффектов.

Омар

@KeithThompson Вы правы. В ньютоновской физике нужно уйти достаточно далеко, чтобы его скорость убегания была достаточно низкой. Таким образом, скорость убегания с поверхности не требуется. Однако ЧД нужно двигаться со скоростью света только для того, чтобы зависнуть над горизонтом событий. Итак, теоретически, если бы вы могли достичь с , вы можете оставаться на вершине горизонта событий. Конечно, оказавшись внутри, у вас нет шансов из-за эффектов искажения пространства-времени.

БТ

Мы точно знаем, что современная физика противоречива в случае с черной дырой. Сингулярности и горизонты событий — артефакты теорий, которые, очевидно, не могут предсказывать вещи с какой-либо степенью точности. Вероятный ответ заключается в том, что вы можете избежать черной дыры, или даже этих черных дыр, как это понимается в соответствии с теорией Эйнштейна, на самом деле не существует. Наиболее вероятный сценарий заключается в том, что существует что-то еще, где мы в настоящее время вынуждены предсказывать черную дыру.

джморено

Я зарегистрировался, чтобы задать именно этот вопрос. Большинство ответов полностью упускают суть вопроса: скорость убегания зависит от расстояния между гравитационными источниками. Это расстояние не должно создаваться с какой-то определенной скоростью. Итак, почему я не могу взять с собой действительно большую лестницу в черное целое, а затем выбраться наружу. Или, что более реалистично, лифт.

Карсон Майерс

@jmoreno определенно - черные дыры немного напрягают ум, особенно с большими черными дырами, где пересечение горизонта событий не обязательно означает, что вы двигаетесь очень быстро

ФрэнкХ

@Florin абсолютно прав, но иногда картинка стоит тысячи слов. На этом веб-сайте есть несколько изображений и пояснений о том, как будущий световой конус начинает указывать только внутрь черной дыры, когда вы пересекаете горизонт событий.

Вот одно из изображений:

введите описание изображения здесь

Время вертикально, цилиндр представляет собой горизонт событий, а конусы — это будущие световые конусы для наблюдателя, когда они падают в черную дыру.

Обратите внимание, что даже если бы наблюдатель мог мгновенно разогнаться почти до скорости света, он все равно был бы ограничен будущим световым конусом. Поэтому, как только горизонт событий пересечен, они не могут убежать.

ОБНОВЛЕНИЕ: Как говорит @Florin в комментарии, вращающиеся черные дыры еще более странны, чем описанная выше невращающаяся черная дыра Шварцшильда. В частности, есть область за пределами горизонта событий, называемая эргосферой , где само пространство-время тащится вокруг черной дыры со скоростью, превышающей скорость света (относительно далеких звезд). Можно войти в эргосферу и при этом уйти в бесконечность. На самом деле часть энергии вращения черных дыр может быть извлечена в этой области и может быть источником энергии для гамма-всплесков.

Я также хотел бы отметить, что нет никакого локального эксперимента, который можно было бы провести, чтобы определить, когда наблюдатель пересек горизонт событий. Он будет «чувствовать» себя совершенно нормально — это только будущее направление световых лучей, которое меняется при пересечении горизонта и не может быть определено локально. На самом деле «нормальная ньютоновская» концепция «силы» гравитации не обязательно должна быть особенно сильной на горизонте. Более массивная черная дыра имеет более низкий горизонт событий «силы гравитации». Махнув рукой, можно увидеть, что ньютоновская сила пропорциональна 1 р 2 но радиус горизонта событий пропорционален массе, М ; поэтому поверхностная сила пропорциональна 1 М . См. эту статью в Википедии для более тщательного обсуждения того, что вообще может означать разговор о понятии «сила» в общей теории относительности.

Флорин Андрей

Отличный пример. Проблема не в том, как быстро вы двигаетесь. Проблема в том, что направления «вверх» больше не существует; куда бы вы ни посмотрели, вы смотрите вниз. Пространство-время чрезвычайно искривлено, завязано в узел само на себе. Вы можете выбирать только между более короткими или более длинными путями вниз. Кстати, несмотря на то, что все датчики уходят в бесконечность в центре, я считаю, что время достижения сингулярности на самом деле конечно. Так что ваша судьба решена, несмотря ни на что.

Флорин Андрей

Кстати, для завершения - если это вращающаяся черная дыра, я недавно слышал, что стабильные орбиты внутри горизонта событий действительно возможны, и некоторые люди предполагают, что планеты могут существовать, даже с жизнью - если черная дыра большая достаточно. Итак, другими словами, если черная дыра вращается, не все направления указывают вниз; некоторые направления указывают «вокруг». Но это все; до сих пор нет «вверху» или, по крайней мере, нет «до конца». Но вся эта концепция очень и очень далека от реальности.

Аникс

«Я также хотел бы отметить, что нет никакого локального эксперимента, который можно было бы провести, чтобы определить, когда наблюдатель пересек горизонт событий. Он будет «чувствовать себя» совершенно нормально» — ну, по крайней мере, при приближении к горизонту радиус ЧД сожмется так, что в конце концов испарится, когда вы коснетесь горизонта. В этот момент вы почувствуете температуру доски и бесконечный поток энергии.

Тимоти

Согласованно описывать пространство как втекающее в черную дыру, и также последовательно описывать пространство в эгорсфере как тянущееся быстрее света, но несовместимо описывать и то, и другое как происходящее. Согласно системе координат, в которой ничто никогда не падает в черную дыру, вы можете описать гравитационное замедление времени как настолько огромное, что скорость света замедляется до скорости, меньшей, чем скорость, с которой движется пространство. Если вы описываете пространство как втекающее, вы должны описать общую скорость, с которой оно втягивается и перетаскивается, как скорость, превышающую скорость света.

Флорин Андрей

Я бы хотел, чтобы те, кто занимается популяризацией науки, перестали говорить о скорости света. Это просто сбивает людей с толку.

Забудьте о скорости. Подумайте об энергии. Вам потребуется бесконечное количество энергии, чтобы выбраться из него. Бесконечный. То есть это как иметь дело с мафией: сколько ни тратишь, все равно мало.

Думайте с точки зрения топологии. Изнутри горизонта событий нет возможных траекторий наружу. Это чисто геометрический вопрос; пространство-время настолько искривлено, что любая траектория, которую вы могли бы нарисовать, начиная с вашего текущего положения, ведет только внутрь горизонта событий.

Более того, любая траектория внутри горизонта событий направлена ​​только вниз. Правильно, куда бы вы ни посмотрели, вы смотрите вниз, к центру.

3 пространственноподобных измерения и 1 времяподобное измерение обычного пространства-времени теперь становятся 3 времениподобными и 1 пространственноподобным измерением. Все эти три времениподобных измерения заканчиваются в центральной сингулярности. Это означает, что попав внутрь, вы можете только спуститься.

Вот насколько серьезно сломано пространство-время. Дело не в скорости, черт возьми, даже энергия не имеет значения, дело в том, что пространство и время сами по себе завязаны в большой нелепый узел, который не имеет смысла и, по-видимому, предназначен для того, чтобы засосать вас.

Физики называют это коллапсом геометрии пространства-времени.

Омар

Я не думаю, что это плохо думать с точки зрения скорости убегания. Причина, по которой вам потребуется бесконечное количество энергии, заключается в том, что вам нужно будет достичь с . Я согласен с тем, что имеет место искажение пространства-времени, но если говорить простыми словами, думать о скорости убегания нормально.

Флорин Андрей

Большинство людей автоматически думают: «Итак, двигайся быстрее скорости света, и ты убежишь». Что является BS, потому что «скорость света» в локальной системе отсчета действительно означает бесконечную скорость (она ограничена только в удаленной системе отсчета). Это то, чего большинство людей не понимают, потому что никто не хочет им это объяснять: что «скорость света» и бесконечная скорость — это одно и то же в системе отсчета движущегося объекта. Научно-популярные статьи просто рассматривают все с точки зрения удаленной системы отсчета, что является нонсенсом с релятивистской точки зрения — выбор системы отсчета имеет решающее значение.

Омар

Идти быстрее, чем с невозможно из-за различных релятивистских эффектов. Я не понимаю, что вы имеете в виду, говоря, что выбор рамы имеет решающее значение? В специальной теории относительности скорость света постоянна независимо от вашей системы отсчета.

Флорин Андрей

Я хочу сказать вот что: в кадре движущегося объекта вы можете преодолевать сколь угодно большие расстояния за сколь угодно короткие промежутки времени; по сути, релятивистские эффекты объединяются, чтобы обеспечить вам «бесконечную» скорость — только в этом кадре. Однако в кадре внешнего наблюдателя движущийся объект оказывается ограниченным скоростью света. Поп-наука только представляет вещи из внешнего кадра, пренебрегая тем, чтобы показать, как в кадре движущегося объекта вы можете отправиться куда угодно за столь короткое время, как вы хотите. Быстрее, чем с, невозможно, потому что с во внешней системе отсчета равно бесконечной эффективной скорости в движущейся системе отсчета.

Флорин Андрей

Например, отсюда можно добраться до галактики Андромеды за секунду - в кадре ракеты; фактически огромная скорость (из-за сжатия пространства и т. д.). Тем не менее, путешествие все равно заняло бы 2,5 миллиона лет в земной системе координат. Скорость света никогда не является пределом для самой ракеты (и я говорю здесь об эффективной скорости - я знаю, что c остается одним и тем же в любом кадре). Это всего лишь предел для тех, кто остался позади.

Омар

Боюсь, это не так. Никаких специальных рамок отсчета нет. Законы физики действуют во всех системах отсчета, поэтому вы не можете двигаться быстрее скорости света ни в одной системе отсчета. Эффекты замедления времени и сокращения длины будут означать, что оба наблюдателя, путешествующие и неподвижные, будут измерять одинаковую скорость.

Флорин Андрей

Стэн Лю

Это очень ошибочно: «3 пространственноподобных измерения и 1 времяподобное измерение нормального пространства-времени теперь становятся 3 времениподобными и 1 пространственноподобным измерением». Пространство-время по-прежнему лоренцево за горизонтом: его сигнатура по-прежнему ( 3 , 1 ) . В пространстве-времени нет события, касательное пространство которого натянуто на три времениподобных и один пространственноподобный вектор! Кроме того, я возражаю против использования вами термина «топология».

Питер

Я думаю, что потребуется бесконечная энергия, чтобы попасть в сингулярность как можно медленнее. Не существует определенного количества энергии, которое могло бы выйти в рамках ОТО.

сумвале

Я не физик, но как может быть, что "даже энергия не имеет значения"? При достаточном количестве энергии пространство-время можно искривить, тогда теоретически должно быть возможно «создать» новые пути, не так ли? Подумайте, что произойдет, если другая черная дыра (или даже нейтронная звезда) пересечет горизонт событий.

пользователь10851

Я полностью согласен с ответом @FrankH. Я просто хочу подчеркнуть лежащее в основе заблуждение, которое многие авторы высказывают, говоря о скоростях выхода из черных дыр. В ньютоновской физике может быть что-то вроде «черной дыры», без ОТО, и действительно, это было известно с 18-го века (см. , например, страницу Википедии ). Все, что вам нужно сделать, это найти радиус вне массы M, где скорость убегания равна скорости света.

К сожалению, этот радиус в точности соответствует радиусу Шварцшильда, 2 грамм М / с 2 , что заставляет многих думать, что ньютоновские аргументы в некоторой степени применимы. Одно ключевое различие заключается в том, что подразумевается под «побегом». Скорость убегания — это скорость, с которой вам нужно двигаться, чтобы уйти в бесконечность без дополнительной тяги. С любой меньшей скоростью вы можете отойти на определенное ненулевое расстояние от поверхности ньютоновской черной дыры, прежде чем вас втянет обратно. Учитывая источник тяги, аргумент в исходном вопросе показывает, что вы всегда можете избежать такого объекта. С ОТО все по-другому, и вам никогда не разрешается подниматься выше горизонта событий, независимо от того, сколько ракетного топлива у вас есть под рукой .

Аникс

На самом деле можно выйти из-за горизонта. Чтобы выбраться, достаточно развить скорость выше c.

Но ни один объект, несущий информацию, не может достичь такой скорости, это приведет к травме. Так что из-за горизонта могут выбраться только вещи, не несущие никакой информации.

Одной из таких вещей является излучение Хокинга (не только фотонов, но и частиц), которое можно рассматривать как квантовое туннелирование из ЧД. Заметим, что во всех случаях туннелирования (скажем, при распаде ядра) вылетевшая частица достигает скорости выше c. Это не означает потери, потому что процесс является вероятностным и как таковой не может использоваться для передачи информации.

Джон Ренни

Предположим, мы вычисляем тягу, необходимую для зависания на фиксированном расстоянии от горизонта событий. Причина этого в том, что если мы можем парить на фиксированном расстоянии от горизонта, то для удаления от черной дыры нам просто нужно увеличить тягу на некоторую величину.

В ньютоновской гравитации тяга, необходимая для парения, равна силе гравитации. Итак, если наш космический корабль имеет массу м а масса черной дыры М тяга нам нужна чтобы парить на расстоянии р является:

(1) Ф Тритон знак равно грамм М м р 2

Если масса черной дыры М большой и р мала, эта сила может быть очень велика, но для р > 0 оно никогда не бесконечно. Итак, пока наш ракетный двигатель достаточно мощный, мы всегда можем зависнуть, и поэтому, слегка увеличив тягу, мы всегда можем отойти, то есть мы можем избежать черной дыры.

Проблема в том, что ньютоновское уравнение (1) является приближением, и когда мы делаем расчет с использованием общей теории относительности, мы обнаруживаем, что тяга, необходимая для зависания, становится:

(2) Ф ГР знак равно грамм М м р 2 1 1 р с р

куда р с радиус горизонта событий. Я не буду вдаваться в расчет здесь. Если вам интересно, это подробно описано в вопросе Что такое весовое уравнение в общей теории относительности?

И теперь мы видим проблему. Когда р знак равно р с , то есть если вы попытаетесь зависнуть на горизонте событий, уравнение (2) говорит нам, что сила зависания становится бесконечной. Поскольку ни один ракетный двигатель не обладает бесконечной мощностью, невозможно зависнуть над горизонтом, а если вы даже не можете зависнуть, то уж точно не сможете отойти от черной дыры.

Ларри

Когда ученые говорят, что скорость убегания черной дыры больше скорости света, они имеют в виду, что если покинуть поверхность черной дыры со скоростью, близкой к скорости света, и во время полета не получить дополнительного ускорения скорости, то в конце концов вы отступите. Это абсолютно верно. Но если вы получите прирост скорости во время полета, вы сможете поддерживать свою скорость близкой к скорости света, тогда, в конце концов, вы перейдете на орбиту, скорость убегания которой ниже скорости света, тогда вы сможете избежать черного отверстие. Таким образом, миф о том, что «ничто не может избежать черной дыры», неверен.

JLA

Я хотел бы проголосовать против, но не хочу терять баллы. В любом случае, этот ответ совершенно неверен.

Брэндон Энрайт

Я пожертвую своей репутацией. Это так неправильно. Это было бы верно только классически. Но в классическом понимании скорость света не является пределом, что все же делает это несколько неправильным.

Ларри

Я не говорил, что скорость космического корабля больше скорости света. Я сказал, что космический корабль поддерживает скорость, близкую к скорости света, например, 99% скорости света. Эта скорость достижима. При такой скорости космический корабль должен выйти на орбиту, скорость убегания которой меньше скорости света.

JLA

Внутри черной дыры нет такой точки, где вам нужно было бы путешествовать со скоростью меньше, чем с, чтобы сбежать, поэтому ваш ответ по-прежнему совершенно неверен. Как только вы войдете в черную дыру, вы не сможете даже повернуться, не говоря уже о том, чтобы выбраться.

Ларри

Jla, вы просто повторили свой ответ несколько раз без подробного объяснения.

JLA

Уже опубликовано несколько подробных объяснений, отвечающих на этот вопрос. Если вы хотите еще один, поверхности постоянного радиуса внутри черной дыры подобны пространству, поэтому, чтобы развернуться, вам нужно двигаться со скоростью, превышающей скорость света, поэтому вы не можете убежать.

Тимоти

Этот ответ неверен. В ньютоновской физике скорость убегания больше, чем орбитальная скорость, но в теории относительности это не так. Это просто совпадение, что ньютоновская формула для вычисления радиуса, при котором скорость убегания равна c, работает. Для черной дыры Шварцшильда фотонная сфера находится дальше, чем горизонт событий, поэтому на расстояниях, достаточно близких к черной дыре, орбитальная скорость больше, чем скорость убегания, а за пределами фотонной сферы нет такой вещи, как орбитальная скорость. Я даже не уверен, что орбитальную скорость можно аналитически продолжить за пределы фотонной сферы.