根據引力時間膨脹效應,黑洞中呆1小時,地球過了多少年…


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根據引力時間膨脹效應,黑洞中呆1小時,地球過了多少年?

有人問:如果一個人在黑洞裡,1小時等於地球多少年?

這是一個違背科學常識的問題,一定要回答的話,我只能說:已知世界的任何物質都無法保持原樣的進入黑洞,更別說很脆弱的生命和人類了。

  • 因為黑洞裡不會有我們已知物質存在

我們分層次描述一下黑洞:在黑洞極端引力和角動量作用下,在黑洞吸積盤中飛速旋轉的物質都會在碰撞中化為齏粉,這個齏粉絕不是我們通常理解的齏粉,而是成為了基本粒子。在黑洞吸積盤從外沿到內沿,速度從每秒數千千米到數万千米,接近黑洞事件視界時,速度甚至接近光速。

在這樣的速度碰撞下,會發出極高溫度,從外圍的數千度到裡面的上億度,甚至數千上萬億度,在黑洞事件視界附近,原子已經解體,物質成為稠密的夸克湯,吸積盤會發出明亮的可見光和不可見的X射線、伽馬射線。

這些都是在黑洞視界以外被拉扯物質發出的迴光返照,這些物質一旦被吸進黑洞視界以內,就再也不是我們認識的物質了,就連基本粒子也不存在了,現在的科學還無法解釋黑洞物質是一種什麼形態,只知道所有的質量都會無限坍縮到核心那個的奇點裡,這個奇點無限小。

奇點到底有多小,沒人知道,但至少要小於普朗克尺度。普朗克尺度約為1.6*10^-35m,比電子小20個數量級。所有物質都被壓縮到這個奇點裡,現在的理論無法解讀這是一種什麼樣的物質。

  • 黑洞奇點都一樣小,但視界與質量成正比。

何謂視界,就是黑洞能被看到和看不到那個臨界點,又叫史瓦西半徑。

再大的黑洞,比如3個太陽質量的黑洞與1000億個太陽質量的黑洞,中心都只有一個無限小的奇點,在奇點周圍就是一片虛無的空間,光也只能跌落進奇點,所以這片虛空什麼也沒有,什麼也看不見。這個虛空是圍繞著奇點的一個球狀,這個球狀的大小就不一樣了,而是與黑洞質量成正比,質量越大,這個球狀空間越大。

這個空間就叫史瓦西半徑,計算半徑大小的公式為:R=2GM/C^2。這裡的R表示史瓦西半徑,單位m(米);G為引力常數,取值約6.67*10^-11;M表示天體質量,單位kg(千克);C為光速,單位m/s(米/秒)。

在這個史瓦西半徑的臨界處就是黑洞事件視界,也是物質可見和不可見的臨界點。在視界外,物質即便粉身碎骨,也還能夠以可探測的方式呈現,人們可以看到其發出來可見光,探測到X射線和伽馬射線;在事件視界內,一切都化為烏有,連光也無法逃出。

在這種該狀態下,人類怎麼可能體驗在黑洞中過一小時的感覺呢?不過,愛因斯坦廣義相對論給了我們從理論上理解黑洞中時間流逝的狀態,這就是引力時間膨脹效應。

  • 時間在不同速度和引力狀態下,流逝速度不一樣

在愛因斯坦廣義相對論中,有兩個時間膨脹效應,一個是速度時間膨脹效應,一個是引力時間膨脹效應。簡單地說,就是在不同的參考系中,時間流逝是不一樣的,速度越快的參考系中,以及引力越大的參考系中,時間流逝速度越慢。

比如在地球表面和運行在太空的衛星上,時間流逝就有差別。人與地球相對是靜止的,而天上衛星相對地球速度是較快的,因此衛星上相對地球表面的時間流逝要慢一點;而地球表面引力更大,衛星距離地球表面遠,引力相對要小一些,因此地球表面又比衛星上的時間流逝要慢一些。

這樣里外一折,天地時間就有了差異。這樣,科學家們就需要對導航衛星時間進行相對論調整,才能夠精準地進行定位導航。

當然地球和衛星這點引力和速度導致的時間差異很小,只是以毫秒計,並不明顯。但如果移到黑洞附近的引力,就不可同日而語了。在美國科幻片《星際穿越》中,庫珀等宇航員們駕駛的飛船進入黑洞附近巨大引力場,經歷1小時地球就過了7年,時間膨脹了6萬多倍。

為什麼會這樣呢?這是因為引力越大,導致的時間彎曲越大,時間流逝就越慢。

  • 引力時間膨脹效應

愛因斯坦廣義相對論中得出了引力時間膨脹的公式,表達為:t’=t*√(1-2GM/rc?)。這裡,t’表示引力時間膨脹效應值;t為低引力慣性系觀測者時間流逝值;G為引力常數;M為天體質量;r為天體半徑;c為光速。

通過以上公式我們可以得出,時間膨脹程度與質量的開方成正比,與半徑(或距離)開方成反比。即天體質量越大,時間膨脹越大;半徑(距離)越小,時間膨脹越大。而在黑洞史瓦西半徑以內,是質量壓縮的極端臨界點,由於光都無法逃逸,引力達到無限大,因此那裡的時間是靜止的。

如果一定要假設某個人在黑洞中過一小時,地球上過了多久,那麼我告訴你,那個人根本就感覺不到時間的流逝,地球過了1億年1000億年,他也沒過1秒鐘。

但《星際穿越》中的庫珀等宇航員們,在一個1億倍太陽質量黑洞旁的米勒星球上,1小時相當於地球7年,根據引力時間膨脹公式就可以計算出這個星球與黑洞中心的距離,現在把這個題解留給讀者,你能計算出這個星球的距離嗎?

  • 有興趣者可以在評論區將計算結果留言討論。

如果你計算的正確,你會發現要達到這樣大的時間膨脹效應,必須在距離黑洞事件視界很近的地方,在這樣近的距離,理論上星球和飛船都是無法生存的。因此《星際穿越》就是一個科幻,而且並不是嚴謹符合科學理論的科幻,觀眾只要認真享受其中的藝術感染力就好,千萬別鑽理論牛角尖,如糾纏科學理論就會讓你感到很失望。

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