Почему черная дыра черная?

Удивительно сложно объяснить простыми словами, почему ничто, даже свет, не может вырваться из черной дыры после того, как она пересекла горизонт событий. Я постараюсь объяснить с минимумом математики, но это будет сложно.

Первое, на что нужно обратить внимание, это то, что ничто не может двигаться быстрее света, поэтому, если свет не может убежать, то ничто не может. Все идет нормально. Теперь мы обычно описываем пространство-время вокруг черной дыры, используя метрику Шварцшильда:

но беда в том, что шварцшильдовское время,$t$, не является хорошей координатой для использования на горизонте событий, потому что существует бесконечное замедление времени. Возможно, вы захотите взглянуть на мой недавний пост . Почему материя втягивается в черную дыру, а не сгущается в одну точку внутри сингулярности? для некоторого фона на этом.

Теперь мы можем выразить метрику в любых координатах, которые захотим, потому что она не зависит от координат, и оказывается, что лучшими (ну, во всяком случае, самыми простыми!) координатами для этой задачи являются координаты Гульстранда–Пенлеве . В этих координатах$r$все еще старое доброе радиальное расстояние, но$t$теперь это время, измеряемое наблюдателем, падающим на черную дыру из бесконечности. Эта система координат свободного падения известна как координаты «дождя», и мы называем время$t_r$чтобы отличить его от времени Шварцшильда.

В любом случае, я собираюсь умолчать о том, как мы преобразуем метрику Шварцшильда в координаты Гуллстранда–Пенлеве, и просто процитирую результат:

Это выглядит совершенно отвратительно, но мы можем многое упростить. Мы собираемся рассмотреть движение световых лучей, и мы знаем, что для световых лучей$ds^2$всегда равен нулю. Также мы собираемся рассматривать свет, движущийся радиально наружу, поэтому$d\theta$а также$d\phi$равны нулю. Итак, у нас осталось гораздо более простое уравнение:

Вы можете подумать, что это забавное определение простого, но на самом деле это просто квадратное уравнение. Я могу прояснить это, разделив на$dt_r^2$и немного переставляя, чтобы дать:

и простое использование уравнения для решения квадратного уравнения дает:

И мы там! Количество$dr/dt_r$- лучевая скорость (в этих немного странных координатах). Есть$\pm$в уравнении, как и для всех квадратичных, и -1 дает нам скорость входящего светового луча, а +1 дает нам исходящую скорость. Если мы на горизонте событий$r = 2M$, так что просто подставив это в приведенное выше уравнение для исходящего светового луча, мы получим:

Тада! На горизонте событий скорость исходящего светового луча равна нулю, поэтому свет не может покинуть черную дыру. На самом деле для$r < 2M$исходящая скорость отрицательна, поэтому свет не только не может уйти, но и лучшее, что он может сделать, это двигаться к сингулярности.

Здесь происходит значительное количество другой физики. Прямо сейчас кажется, что вы пытаетесь применить ньютоновскую механику к сфере, где она не работает (высокая скорость, высокая гравитация), и это просто не даст вам такого понимания.

Я всегда ненавижу давать подобные ответы, но если вы действительно хотите понять черные дыры, вам нужно немного покопаться в общей теории относительности.

Мы видим «черное» в отсутствие света. Черные дыры поглощают все излучение и ничего не излучают, поэтому для наших глаз они фактически «черны».

Обратите внимание, что остальная часть вашего анализа не совсем верна — вы используете ньютоновскую структуру и анализируете общерелятивистский объект. Правильная формула для радиуса черной дыры:$R_s=\frac{2GM}{c^2}$. Глубже копаться не буду, так как не специалист в этой области. Надеюсь, ответит кто-то более знающий.

Обратите внимание, что черные дыры не полностью черные. Они излучают [излучение Хокинга] (http://enwp.org/Hawking_radiation), которое является квантово-механическим/квантовым гравитационным эффектом. Излучение Хокинга не так заметно, и черная дыра практически остается «черной».

Черная дыра черная, потому что вы ее не видите. Вы не можете этого видеть, потому что это не в вашем прошлом. Для вас это просто еще не произошло. Вещи, которые становятся черной дырой, замедляются по отношению к вам, и замедляются настолько сильно, что вы просто никогда не видите, как они становятся черной дырой.

Когда вы смотрите на свою руку, вы видите свою руку наносекундной давности. Когда вы смотрите на луну, вы видите ее секундой раньше. Когда вы смотрите на Марс, вы видите его десятиминутной давности. Вы всегда видите вещи из своего прошлого.

Те примеры, которые вы видите издалека в прошлом, потому что они были дальше, свету потребовалось больше времени, чтобы добраться до вас.

Вблизи компактного тела происходит нечто иное. Само время замедляется по отношению к вам, требуется больше времени, чтобы что-то произошло. Итак, была звезда, и thibgs начали двигаться медленнее, и поэтому вы говорите что-то, что заняло бы один день на земле, и если бы вы наблюдали, как это происходит в замедленной съемке, это заняло бы год. И в течение этого года вы увидели звездный контракт и стали немного меньше, и это сделало его более компактным, и проблема усугубилась. Вы говорите, что в течение следующего года на звезде произойдет что-то, на что обычно уходит 12 часов. Но за это время звезда стала еще меньше, и от этого стало еще хуже. Вы говорите, что в течение следующего года на звезде произойдет что-то, на что обычно уходит 6 часов. И стало еще хуже. В следующем году вы наблюдали за тем, что там произошло, что должно было занять 3 часа. И через год после того, как вы увидели то, что должно было занять 90 минут. В следующий раз вы увидели то, что должно было занять 45 минут. И становится все меньше, и проблема усугубляется. В следующем году вы увидели то, что должно было занять 22,5 минуты. Затем через год после того, как вы увидели что-то, что должно было занять 11,25 минуты. И это не просто становится скучно. Это слабо. Такое же количество света покидает звезду, как обычно, за 11,25 минут, но теперь вам нужно ждать год, чтобы получить его. Это означает, что он на 1/128 слабее, чем должен был быть, а также является замедленным движением со скоростью 1/128. не просто становится скучно. Это слабо. Такое же количество света покидает звезду, как обычно, за 11,25 минут, но теперь вам нужно ждать год, чтобы получить его. Это означает, что он на 1/128 слабее, чем должен был быть, а также является замедленным движением со скоростью 1/128. не просто становится скучно. Это слабо. Такое же количество света покидает звезду, как обычно, за 11,25 минут, но теперь вам нужно ждать год, чтобы получить его. Это означает, что он на 1/128 слабее, чем должен был быть, а также является замедленным движением со скоростью 1/128.

И еще тринадцать лет спустя с такой же скоростью, в миллион раз медленнее, чем обычно, и в миллион раз слабее. Это тусклее, поэтому он похож на черный. Но вы видели, как первый день прошел за первый год. Сколько времени вам нужно, чтобы увидеть следующий день?

Затем в следующем году вы видели на 12 часов больше (т. 3 года), затем еще 90 минут часов (то есть 15/16 этого дня за 4 года), затем еще 45 минут (то есть 31/32 этого дня за 5 лет), затем еще 22,5 минуты часов (то есть 63/64 этого дня за 5 лет). 6 лет), затем еще 11,25 минут (то есть 127/128 этого дня за 7 лет). И вы никогда не увидите этот второй день. Этот второй день никогда не останется в вашем прошлом.

И это потому, что в теории относительности ваше прошлое относительно. Это буквально то, что вы можете видеть. И для тебя черная дыра никогда не бывает последней. Кто-то на звезде может это увидеть, но ты никогда. И это жизнь. Замедление времени заставляет его делать то, что происходит на третий день, на самом деле никогда не остается в вашем прошлом. На самом деле мы не знаем, есть ли третий день.

Ваше чувство сейчас устремляется к тому роковому событию. И так каждый день и каждый год. Эта черная дыра для вас больше похожа на будущее, чем на прошлое. Иногда вы можете оказаться в их прошлом. Например, на третий день для них они могут увидеть, что вы что-то делаете, поэтому через секунду после того, что вы сделали, будет слишком поздно, чтобы попытаться присоединиться к ним, потому что второй день становится третьим днем. Но вы все равно будете получать более медленные слабые изображения от thibgs, которые не подошли слишком близко к компактным частям.

Вы не можете увидеть что-то, если этого нет в вашем прошлом. И когда вещи движутся все медленнее, медленнее и медленнее, чем вы, то конечное количество их времени может заполнить все прошлое, которое у вас будет. Просто сложнее понять, когда вещи относительны, потому что это будет зависеть от того, как вы двигаетесь и куда вы идете.

Причина, по которой черная дыра черная, заключается исключительно в том, что свет не может ускользнуть. Горизонт событий существует потому, что вы просто видите точку, из которой свет больше не может выйти. Единственное, что может покинуть черную дыру, — это протоны на горизонте событий из-за излучения Хокинга. Черная дыра черная, потому что черный цвет поглощает весь свет и ничего не отражает, поэтому, поскольку никакой свет не может выйти, он весь поглощается, и мы видим его как черный цвет.