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往黑洞里伸一根棍子,一半在里面一半在外面,棍子还好吗?

本帖由 漂亮的石头2015-11-03 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

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    在距黑洞视界线 1 米的地方向黑洞内伸一根 2 米长的棍子会怎样?

    [​IMG] 季索清,虚己游世

    如果用广义相对论的观念用简短的语言解释,就是:物体在时空中的运动轨迹是类时的测地线,类时测地线在光锥内部;而在黑洞视界内部,光锥都被扭曲并指向黑洞内部了。因此棍子一旦进入视界,就再也没有可能出来。这一点在 @着微同学的回答光一直以光速向前传播,可为何光逃离不了黑洞?已经阐述得很好,这里就不再赘述。

    当然我们也可以用易于理解的牛顿力学来近似地解释。我们都有这样的体验,当我们静止站在地面上,我们能感觉到重力;然而在从高处跳下来的过程中,我们就会有失重感(暂且忽略潮汐力)。因此在均匀引力场中做自由落体运动的时候,物体是感觉不到重力的存在的。

    这样的理解对于黑洞也是适用的。如果把棍子朝着黑洞扔过去,棍子做自由落体运动,因而是感受不到重力的(同样地,暂且忽略潮汐力);但是如果我们想让棍子在黑洞半径的某处缓缓伸进(即可以当做静止状态处理)视界,棍子则能感到重力并且重力加速度在临近视界达到无穷大。比如对施瓦西黑洞而言,考虑一个静止于黑洞半径某处的质点,其重力加速度为(省略推导步骤,引力常数与光速设为1):

    [​IMG]

    当质点距离接近施瓦西半径时

    [​IMG]

    加速度是趋于无穷大的(不是坐标奇性),所以棍子在黑洞视界内部一定会断裂。当然这是理想情况的计算,把棍子当作无圆周运动的质点处理了;但是没有物体能在黑洞视界上承受无穷大的重力加速度。

    如果我们把棍子扔进黑洞让其做自由落体运动,这时候棍子处于失重状态,并感觉不到上述的无穷大的重力了;唯一可能破坏棍子的力是潮汐力。用广相的语言描述,潮汐力是邻近测地线的分离带来的效应。我们可以算出一根棍子在做自由落体时受到的潮汐力。同样地,对于施瓦西黑洞,经过一些复杂的计算,我们得到不是那么复杂的棍子的(径向)运动方程:

    [​IMG]

    其中

    [​IMG]

    为施瓦西半径。取微分得到加速度:

    [​IMG]

    因此棍子两端的加速度差为:

    [​IMG]

    这里为了方便计算我们把引力和光速两个常数都放回来。在黑洞视界处

    [​IMG],最终我们得到:

    [​IMG]

    可以发现,黑洞质量越大,潮汐力越小。譬如对于一个 [​IMG] 太阳质量的超大质量黑洞,棍子长度

    [​IMG]

    我们可以算出其在黑洞视界处的加速度差为:

    [​IMG]

    这个值实在是太小了(地球的重力加速度是 [​IMG])。

    但对于小黑洞,潮汐力则会很大,棍子的命运就不同了。按照题主的描述,观察者在离黑洞视界1米的地方绕行;而对于施瓦西黑洞,最小的稳定圆轨道的半径为三倍的施瓦西半径(具体证明过程不写了)。所以按照题主的描述,问题中的黑洞最大可能半径为 0.5 米。取 [​IMG] ,棍子绕行半径 [​IMG],计算得加速度差为:

    [​IMG]

    因此按照题目的描述,即使做自由落体运动,棍子也难逃被潮汐力撕裂的命运。

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