Почему ты не можешь выбраться из черной дыры?
Я понимаю, что горизонт событий черной дыры формируется на радиусе от сингулярности, где скорость убегания равна . 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 скорость убегания? Или это ограничение связано исключительно с релятивистскими эффектами (остановкой времени для сторонних наблюдателей на горизонте событий)?
@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:
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 но радиус горизонта событий пропорционален массе, ; поэтому поверхностная сила пропорциональна . См. эту статью в Википедии для более тщательного обсуждения того, что вообще может означать разговор о понятии «сила» в общей теории относительности.
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.
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, , 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 .
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.
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 а масса черной дыры тяга нам нужна чтобы парить на расстоянии является:
Если масса черной дыры большой и мала, эта сила может быть очень велика, но для 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:
куда 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 , 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.
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.
Омар
Кит Томпсон
Омар
БТ
джморено
Карсон Майерс