02.29 如果用一條不會斷的繩子將一個人放入黑洞,還能拉出來嗎?

如題所言,在理論上進行一個假設,如果存在一條非常堅韌的繩子,將一個人捆住,之後放入黑洞中,試問我們還可以通過外部手段將其拉出來嗎?

可能有人說了,繩子和黑洞相互矛盾啊,黑洞的屬性是吞噬一切,而繩子的屬性又是不會斷裂,如果我們假設在外界存在一個很大的力,那繩子自然會被拉出來啊。

上面這段話聽著確實有些道理,但實際上就如最強之矛遇上最強之盾一樣,矛盾遇到一起,最後是兩敗俱傷,但這個兩敗俱傷的結論放到黑洞身上並不合適,因為就史瓦西黑洞而言,只要繩子進入黑洞,那麼繩子所連接著的一切都會被拉進黑洞(誰叫你假定繩子不會斷了),絕無半點妥協可言

如果用一條不會斷的繩子將一個人放入黑洞,還能拉出來嗎?

下面我就以史瓦西黑洞為例來簡單講解一下(最後也會提一下在其它黑洞中的情況)

史瓦西黑洞誕生於廣義相對論的第一個精確解,這是德國物理學家史瓦西在愛因斯坦的廣義相對論發表後不久解出來的。這個精確解描述了一個無自轉、不帶電的天體,對星外時刻的影響,後來隨著對這個解的深入研究,科學家發現存在一個被稱為史瓦西半徑的範圍,如果一個天體,其全部質量都被集中到了其自身的史瓦西半徑以內,那麼它將會成為一顆黑洞,叫做史瓦西黑洞。

如果用一條不會斷的繩子將一個人放入黑洞,還能拉出來嗎?

該黑洞也是人類最早發現的一種黑洞,由於其簡單的結構,由中心奇點和事件視界(和史瓦西半徑重合在一起)組成。而事件視界以內被稱為單向膜區,顧名思義,任何越過事件視界的物體都只能前進不能後退。

如果用牛頓力學和萬有引力定律進行一個不太嚴謹的描述,在史瓦西黑洞表面,即事件視界上,該處的逃逸速度為光速,也就是一個進入史瓦西黑洞的物體,如果想要逃離黑洞,就必須加速到光速以上才有可能,但狹義相對論的光速不變原理又規定了,任何物體的速度不得超過光速,那麼結論就是:沒有物體能夠逃離光速。

如果用一條不會斷的繩子將一個人放入黑洞,還能拉出來嗎?

但實際上這個說法僅僅只能作為一個粗糙的解釋,因為牛頓力學與狹義相對論本身就是一個從屬的關係,而萬有引力定律和廣義相對論也是從屬關係,狹義相對論與廣義相對論分別在低速、弱引力場的環境下都可以與牛頓力學與萬有引力定律近似相等。

所以說按照廣義相對論的說法,自然是要用到單向膜區這樣的術語了,不過還有一種更加通俗的說法,那就是利用光錐的性質,我相信不少人都有聽過“光錐之內皆命運”這句話吧,如果這句話用狹義相對論來解釋的話,光錐之外的事物,其速度都是超光速的,而超光速是不可能的,所以光錐之外的世界不屬於我們。

如果用一條不會斷的繩子將一個人放入黑洞,還能拉出來嗎?

所以說現實世界中的物體,其發展都逃不出光錐之外,所以我們可以利用光錐的朝向,來判斷物體的發展方向,比如說黑洞,通過時空圖我們可以發現,所有進入事件視界的物體,其光錐朝向都是清一色的向內,也就是朝著奇點出發,很顯然,由於這一性質,我們可以毫無顧忌的判斷,所以物體都必須墜落奇點。

有了這個結論,我們對於繩子和黑洞之間的關係就有了更加明確的態度,雖然你繩子堅不可摧,但是史瓦西黑洞內部的性質規定了你必須朝著我奇點墜落,正因為這一點,繩子的優點反而成了要命點,因為繩子不會斷開,所以繩子上所連接的一切物體都會被毫無情面的拉進黑洞,更不用說事先用繩子捆住的那個人了。

這就是這個問題發生在史瓦西黑洞上的情況,但先前也提到了,史瓦西黑洞並不是全部黑洞的代表,那麼接下來我們就來簡單看看旋轉黑洞的表現(史瓦西黑洞是無自轉的黑洞)。

如果用一條不會斷的繩子將一個人放入黑洞,還能拉出來嗎?

旋轉黑洞在結構與史瓦西黑洞是不一樣的,視界並不是它的最外層結構,一個叫做“靜界”的結構才是它的表面,相比於視界的不留情面而言,靜界就要溫和多了,它的特性表現為所有越過靜界的物體,在沒有抵達視界之前,都必須持續運動,也就是說在裡面的物體都必須動起來(這也是它叫做靜界的原因,是劃分物體能否靜止的分界線)。

雖然在裡面的物體必須持續運動,但並沒有要求物體必須進入視界,也就是說如果物體擁有足夠強大的動力,那麼是可以逃出靜界的,也就是逃出了旋轉黑洞,那麼對於這條堅不可摧的繩子來說,只要外界提供足夠強大的拉力,那麼繩子就可以帶著它捆住的那個人一起逃離旋轉黑洞。

如果用一條不會斷的繩子將一個人放入黑洞,還能拉出來嗎?

總的來說,如果是一個人掉進史瓦西黑洞,即便捆住他的繩子是永不斷裂的,那麼也無法拉他出來;相反如果是旋轉黑洞的話,只要不觸碰視界,那還是有一線生機的。

本篇文章的內容到此結束。

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