史瓦西半径 e科普 探索黑洞的秘密( 四 )


既然星系中心存在巨型黑洞,那么假以时日它会不会把整个星系吞进去呢?
不用担心,对于地平线外的物体,黑洞的引力和同样质量的物体充满地平线的引力是一样的。其他天体仍然可以稳定地围绕它运动,就像地球围绕太阳运动一样。只有当轨道半径过小时,黑洞的引力才会撕裂天体,吸引其上方的一部分物质,在自身周围形成所谓的吸积盘,从中释放出巨大的X射线。在流浪地球中,当地球经过木星附近时,木星的引力会吸引地球的大气层,也是同样的效果。
如果一个人从远处落入黑洞,他会经历什么呢?
当远离黑洞的时候,他的感觉和在地球上自由落体没有什么区别,就是他的全身都有失重的感觉。
随着他离黑洞越来越近,潮汐力开始起越来越大的作用。所谓潮汐力,指的就是人的头和脚所受引力之差。这可以定性地用万有引力定律来理解:引力和距离平方正反比,因此严格说来头和脚所受的引力是不一样的。
如果一个人向前掉进黑洞,他头上的重力会更大。正常天体的半径远远超过人体的高度,所以潮汐力可以忽略不计。但是所有黑洞的质量都集中在一个点上——奇点。
所以当人坠落到离奇点足够近时,潮汐力会大到轻易将人撕碎,这位不幸的哥们在落入奇点之前就已经粉身碎骨了。
以上分析是从跌倒者本人的角度出发的。这里没有“地平线”,这家伙穿过地平线也没有什么特别的感觉。这里我们假设事件视界的潮汐力仍然很小,这对于超大质量黑洞是可以满足的。
但是根据广义相对论,在不同点时间的流逝是不一样的。 远处静止不动的观察者会看到什么样的景象呢?
他会看到坠落的人离地平线越来越近,越来越近,却永远到不了地平线。也就是说,在外界观察者的眼中,那个不幸掉进黑洞的人是不朽的。很难直观地解释这种现象,这是广义相对论的结果。
这个空空如也的视界面把时空分成了两个区域。
我们用R来标记一个点的径向坐标,用T来标记时间。因为时间空的扭曲,R不是离黑洞中心的真实距离,T也不是一个掉进黑洞的人所经历的时间。只有当远离黑洞时,R和T才有我们通常认为的样子。
而在视界内部,时空结构发生了根本性的变化,r 事实上才代表时间!而指向中心奇点的方向则是时间朝前的方向!
由于这个原因,地平线上的任何物体都不可避免地落入奇点,因为这是时间的方向。

关于作者:葛莉,1985年出生,是杭电的一位育人明星。理学院,教授大学物理和电动力学。
这一期的e科普就到这里啦!敬请期待下一期。

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【史瓦西半径 e科普 探索黑洞的秘密】人物|葛丽
排 版 | 李博迪
责任编辑|娄伟

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