為什麼任何東西都不能從黑洞逃逸出去?

黑洞是質量大的天體是空間彎曲產生的 就像日常里在橡皮撞球桌面放一塊大石頭 床面會下陷 如果有一個滾過桌面的小球那他肯定掉進那個由大石頭造成的大坑所以一切經過黑洞近旁空間的物體一定進入黑洞 可是假如不是小球而是質量大一些的能夠是桌面下陷的物體呢 他就不會落向那個大坑了吧?


不扯到定量的東西直觀說明的話,就是一旦過了視界水平,奇點那個點就會變成一個把你包裹在裡面的球面。那時候無論你往哪個方向走,都是在往奇點走。無論你怎麼走,你都不會朝向「外面」走了。就像你在北極無論你怎麼走你都是往南走差不多的感覺。


這一點我得說很多科普裡面的橡皮膜模型真是遺毒無窮啊...


經典的黑洞之所以不允許逃逸的原因可以從時空圖(糾錯:這個圖不是時空圖,是v-r圖,所謂的Eddington-Finkelstein坐標)中輕易看出

很明顯,從右向左,越向視界面靠,光錐線的斜率就越大;進入視界面之後,光錐右側類光世界線的斜率就已經是負的了,說明即使光子也不可能從史瓦西半徑里跑到史瓦西半徑外,更別提有質量粒子了
當然,考慮量子場論之後,有種東西叫Hawking radiation - Wikipedia
霍金搞的這個大新聞說明黑洞肚子里的東西並不是真的絕對地不可逃逸的,具體怎麼回事可以去學一學黑洞熱力學


不盡然,黑洞是宇宙最黑的東西。由於它們具有巨大的空間屈曲引力,落入黑洞的任何東西都會立刻被撕碎,消失。然而,我們從未見過黑洞空間是個什麼樣子,因為沒有任何東西能夠從中逃逸出來,即使光也不例外。
然而,真的是「沒有任何東西」 嗎?其實,說「幾乎沒有」,應該更準確一些。要說明這一點,首先要了解兩個名詞,一個叫「勢壘」,一個叫「量子隧道效應」。 勢壘就是勢能比附近的勢能都高的空間區域,而隧道效應是由微觀粒子波動性所確定的量子效應,又稱勢壘貫穿。粒子運動,若遇到一個高於粒子能量的勢壘,按照經典力學,粒子是不可能越過勢壘的;但按照量子力學,則可以解出除了在勢壘處的反射外,還有透過勢壘的波函數,這表明在勢壘的另一邊,粒子具有一定的概率,粒子貫穿勢壘。
經典物理學認為,物體越過勢壘,有一閾值能量;粒子能量小於此能量則不能越過,大於此能量則可以越過。例如騎自行車過小坡,先用力騎,如果坡很低,不蹬自行車也能靠慣性過去。如果坡很高,不蹬自行車,車到一半就停住,然後退回去。量子力學則認為,即使粒子能量小於閾值能量,很多粒子沖向勢壘,一部分粒子反彈,還會有一些粒子能過去,好像有一個隧道,故名隧道效應。
在地球上,連量子力學的新手都知道,在亞原子世界,沒有什麼障礙(勢壘)是不可逾越的。光子和電子等基本粒子並不像彈球,扔到牆上會彈回來,它們更像幽靈。按說,由於有障礙(勢壘)阻擋,粒子本應該呆在某個特定區域里,但偶爾這些粒子也會通過「量子隧道」,越過障礙。即使黑洞也無法避免這種情況發生。
對像我們人類和任何比原子更大的物體來說,黑洞表面區域的確是無法逾越的障礙。但是偶爾亞原子粒子會越過它。因此,有人認為所有黑洞都發出異常微弱的光,這種光被稱作「霍金輻射」(Hawking radiation),是根據著名物理學家斯蒂芬·霍金的名字命名的,20世紀70年代他首次提出這種輻射存在的理論。
傳統觀點認為,任何放射物都無法從黑洞里逃逸出來。在黑洞表面內部,空間下陷的速度比光還快,因此如果運行速度不比光快,任何東西都無法穿越黑洞表面。但是從量子力學考慮,黑洞內部的一些東西逃逸出來並非不可能。
然而,達到這個目的需要非常特殊的條件。除了量子隧道以外,量子力學也允許粒子越過黑洞表面。事實上,這種「量子起伏」隨時都能發生:真空環境會自然產生粒子-反粒子對,不過它們通常會立刻湮滅對方。
粒子要想從黑洞中逃逸出來,量子起伏必須在黑洞邊緣附近發生。當這種情況出現時,有時一個粒子會在反粒子湮滅它前迅速從黑洞里逃逸出來。而反粒子會立刻被黑洞捕獲,並在墜入黑洞中心時被拉長。為了讓這種戲劇性的分離場面發生,粒子產生的量子起伏必須擁有非常長的波長。這聽起來可能很奇怪,量子力學稱所有粒子都是波,因此,它們的波長是兩個連續波峰之間的距離。特定粒子移動的速度越慢,波長就越長。
量子起伏產生並擁有與黑洞相匹配的波長的粒子能夠從黑洞里逃逸出來。這是因為它們不會被局限在一個地方,它們會不停地運動」。從早期類推來看,這些粒子特別像幽靈。它們的巨大波長使它們可以自由徜徉於黑洞邊界以外的區域。霍金輻射擁有與黑洞表面相匹配的典型波長。
由於黑洞位於我們的銀河中心,因此能夠從黑洞中逃逸出來的粒子的波長大約應該是太陽半徑的14倍。對超級黑洞來說,粒子要想從中逃逸出去,它的波長必須是太陽半徑的幾十億倍。
可能你已經猜到,符合逃逸出黑洞所需標準的粒子並不多。即使是最明亮的黑洞(即最小的黑洞,因為它們的引力更小,因此可以有更多粒子從中逃逸出來),它們的亮度也非常非常弱。這種輻射會被太空里的其他天體發出的光完全淹沒,因此我們至今仍未發現霍金輻射。儘管如此,我們確信這種輻射確實存在。
霍金輻射被認為是關於量子引力的一個最合理的預測。

銀河中心圖像。GRAVITY干涉測量,參考星IRS 16C,橙色十字為黑洞Sgr A *,400萬太陽質量。

被銀河系中心黑洞撕碎的氣體雲。

B3 0727 + 409,黑洞噴流。

「Cheshire Cat」星系


僅僅回答一部分問題
如果是質量無比巨大的物體沖向一個小質量黑洞,唔,你可以想像一下:
一個空氣凈化器沖向一團體積無比巨大的煙霧,煙霧以空氣凈化器為中心被清理出一塊空白區


請參閱維基詞條:史瓦西半徑
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%B2%E7%93%A6%E8%A5%BF%E5%8D%8A%E5%BE%91


【史瓦西半徑】是從物件逃逸速度的公式推導衍生而來。

含義是:如果特定質量的物質被壓縮到該半徑值之內,會沒有任何已知類型的力可以阻止該物質自身重力把自己壓縮成一個奇點。

將物件的逃逸速度設為光速,配合萬有引力常數及天體質量,便能得出其史瓦西半徑。根據天體逃逸速度(V1)的計算公式計算天體的史瓦西半徑。

V1=√(GM/R)

V1指天體的逃逸速度,G為萬有引力常數,M為天體質量,R為天體重心與被吸引物體重心的距離。物體無法超過一個天體的逃逸速度,就不能擺脫其束縛,會被該天體吸引,無法脫離軌道而逃逸。

推導過程:
由 V1=√(GM/R)
得知 r 越小 則V1越大
當V1大於等於Vc的時候(Vc為光速),光也無法逃離該天體的引力,此時即使是光,也只能進,不能出。
天體的史瓦西半徑即為逃逸速度等於光速時候所得出的R的值。
所以Rs=GM/Vc^ 2(Rs為天體的史瓦西半徑)
------------------------------------------------------------------------------------------------

那麼,根據史瓦西半徑公式:Rs=GM/Vc^2
(Rs為天體的史瓦西半徑,G為萬有引力常數,M為天體的質量,Vc為光速)

把地球壓縮成一個9毫米的球體,就成為了一個微型黑洞,若將史瓦西半徑內的物質看作一個系統,則該系統內的任何物質都無法逃逸出該半徑之外。


所以,從經典力學角度看,黑洞之所以看起來是黑的,就是因為光線無法逃逸。而光速是宇宙上限速度,所以逃離黑洞(史瓦西半徑以內)是不可能的。


還是那個熟悉的理論。說黑洞要分視界內和視界外來講。視界外光速是可以逃逸的,規律是視界半徑越大,光速越容易逃逸。而在視界內,則要複雜的多。理論上視界內時間和空間的坐標是變換的,也就是時間上只有向內的方向,沒錯,時間是有方向的,因為時間不可逆,所以方向就是奇點。所以說在視界內部研究逃逸是沒有意義的,因為不存在逃逸這一說,永遠是一個方向。


哪怕是質量大的能使桌面下陷的東西,它也會落下去,這個模型沒有任何問題。

假設有一個圓錐形的絕對光滑的坑(桌面下陷),你能不能爬上去只跟你的速度有關,而跟你能不能讓那個坑壁下陷沒有什麼關係。


實名反對前排回答 @盧荻 那是民科別被誤導惹(除非我學的是假物理???)
如果題主是想知道大概的概念請看全能神@vczh的回答,形象生動的解釋233(雖然不完全是對的 不過先有個概念理解起來會方便幾倍)
想像黑洞太重了,把橡皮膜壓惹一個大坑,質量越大,坑越深,一個小石子到了彎曲的邊上時滾進去就越快,輪子哥就干惹點壞事,趁還沒掉到無窮遠底的時候把石子撿了粗來(也就是給石子很大的速度把它拉粗來)。
到了黑洞其實是可以逃粗去的,在黑洞視界(約等於史瓦西半徑,當且僅當黑洞不自轉時黑洞視界等於史瓦西半徑)以外是可以逃粗來的,前提是你有足夠的速度。越遠離黑洞所需的速度越小,也就越方便逃粗來。
(更新:史瓦西半徑公式:
Rs=frac{2MG}{c^{2} }

其實也不是什麼都能掉進去的,我印象里是可以輻射出熱的(更新:查了下的確有:霍金輻射,輻射中包括光子,中子及少量其他粒子(參考百度百科-霍金輻射)),具體計算參考黑洞熱力學。
(更新:引用下@杜今生的評論
在這個理論中,真空中會自發地產生虛粒子對(由於曾被認為無法觀測,這種真空中量子漲落產生的粒子被稱為虛粒子),兩個虛粒子一個為正粒子一個為反粒子,並且一個攜帶正能量一個攜帶負能量,因此並不破壞物質守恆和能量守恆定律。通常情況下,這一對虛粒子會在極短時間內互相湮滅。然而,如果這一過程發生在黑洞視界的邊緣,就存在這樣一種可能:負能粒子被吸入黑洞,而正能粒子逃離黑洞。從黑洞外部看來,這逃離的正能粒子,就是由黑洞發出的「霍金輻射」。在這個過程中,黑洞吸入負能粒子,內部能量降低,產生「蒸發」。霍金認為,由於黑洞外的普通時空不允許負能粒子的穩定存在,正能粒子進入黑洞而負能粒子逃離的現象不可能發生。
換句話說,應該是負能量粒子被吸入黑洞,正能量粒子逃逸出黑洞。

(註:霍金輻射因為過於微小所以暫未被觀測到)
(更新)還有一種發光的可能是因為外面的吸積盤,也就是正在轉圈圈往黑洞里走的物體,這是可以發光的。
靠近黑洞時時間坐標系會與外面的時間坐標系是不一樣的(評論說洛倫茲變換不適用於廣義相對論,的確洛倫茲變換是狹義相對論的一部分,慣性系中的具體計算可以參考洛倫茲變換,非慣性系未知= =求解)
(更新:洛倫茲變換公式:
x
y
z
t

上面一段得到結論在無限接近奇點的時候小石頭的手錶還是一樣走,輪子哥的手錶這時候不停的轉啊轉啊轉,在黑洞里的一丁點時間相當於外面過了很久很久(真的很久),然後手錶就壞了(誤,劃掉)。
綜上人們無法看到黑洞裡面到底是什麼鬼,我猜東西掉進去了以後直接變成熱輻射散掉惹吧或者還有一部分質量被黑洞啊嗚一口次掉惹。表示還沒見到過任何資料寫黑洞裡面的= =
(可能未完待續)
趁次飯時候隨便打開知乎正好看到這個奇怪的問題,然後看到了民科然後就強答一題,次完了要去忙惹~
若各位大神覺得我縮的哪裡不對歡迎指出我會核對資料再改正的,謝謝= =
若各位好奇寶寶還有什麼其他的神奇的問題也歡迎回復,我會進行力所能及的解答!謝謝= =
以上就這些吧233
20170202 19:47
來自一隻萌萌噠蘿蔔絲


(更新:現在19:53 輪子哥秒贊啊喂 嚇死我惹2333第一次被輪子哥贊耶)
(更新:才過了幾個小時就翻了快100贊惹 驚呆(此處無圖片))
(更新:一覺起來125贊惹 有評論縮連篇錯別字 (委屈臉) 我平時就是醬紫用的(捂臉) 影響惹不習慣的人的閱讀體驗 在此抱歉(鞠躬))


任何東西都不能逃逸是錯誤的,常規物質確實不能逃逸,但是有一種東西確實能從黑洞里跑出來,使得黑洞的質量下降,而且不是霍金輻射那種正常的蒸發方式,那就是引力波。
當兩個黑洞合併時,通過引力波的方式將相當可觀的能量以引力波的方式釋放出來,合併後的新黑洞的質量小於原來的兩個黑洞的質量之和這意味著有相當多的東西跑出來了,但是出來的這些東西以引力波的形式被釋放,沒有辦法捕獲,也無從得知是否能重新轉化為常規物質。
民科強答勿輕信,只為博君一思~


科普只是科普,不能用來反向指導科學
∠( ? 」∠)_
另外,兩個黑洞靠近會變成一個大黑洞吧……
如果只是兩個大質量天體,靠近之後也會互相拉扯,潮汐作用,最終脆的那個會被扯碎,而如果是一個大的天體和黑洞,那會被黑洞吸收。


空間其實是流動在橡皮膜上面的水,黑洞就像上面的一個洞。掉進黑洞就像你掉進了一個瀑布,你就算往上游,也只是降低了往下掉的速度,還是在往下掉。我覺得這樣說可能會容易接受一點,儘管顯然不符合現實(逃


根據黑洞的定義可以知道任何東西都不能逃出,題主你說的那個下陷的橡皮膜只是一個類比模型,可以幫助我們更好的想像引力作用這個過程,但是那並不是完全真實的過程。
引申一下:根據黑洞的定義,任何東西都不能逃出黑洞,包括信息。但是將量子力學用於這個過程時,量子力學幺正性會喪失,無法歸一化。於是為了保證量子力學這一基本性質,量子力學的基石,黑洞必須要往外吐信息,或至少在這個宇宙能夠觀察到黑洞其中的信息(有不少理論來解釋這個過程,比如全息模型,平行宇宙理論等),如果這個信息以霍金輻射的方式往外釋放,其釋放出的能量將會在黑洞視界處形成一道巨大的火牆,會燒毀一切經過的物體。(有科學家用聲學黑洞來模擬這個過程,其中已經發現了霍金輻射的存在)
但是將廣義相對論用於這個過程,根據等效原理,物體經過黑洞視界時不會有任何特別的感覺,不會有火牆,於是這裡就產生了一個悖論,量子力學和廣義相對論在這個產生了衝突。(霍金最開始支持廣義相對論,認為沒有火牆,貌似是和人打賭一本棒球百科全書,不過經過這幾年的研究霍金先生已經承認自己輸了,他在不久前寫的一篇論文《黑洞的信息保留與氣象預報》中提出了灰洞的存在,認為那種只吃不吐的黑洞是不存在的,至少它還能吐出信息,於是提出了灰洞的概念。另外給題主推薦一下《黑洞戰爭》這本書,裡面對上述過程有精彩的論述。在黑洞這個特殊的天體這裡,量子力學和廣義相對論的矛盾越來越大,但這是一個好事,沒準哪天我們就在這裡發現物理學統一的線索,對此,我很樂觀。
(我只是一隻民科,上面說的不好的還請多多包含,歡迎指出。


任何東西?你確定?如果真是任何東西,黑洞是怎麼蒸發的?好想@霍金 啊


那麼,兩個黑洞互相碰撞呢?


其實 @vczh 的答案在一定程度上是有道理的,其實可以用介質流動速度大於對應的波速來解釋黑洞的行為,只不過這裡的介質是空間本身


我接著題主的形容來形容來簡單的解析一下。題主講時空就像桌面,而質量使桌面凹陷,質量越大凹陷程度越大。你可以現象一個質量很大體積很小的物體放在橡皮桌面上,由此產生巨大的凹陷。多大的凹陷?就是包住了那個物體的凹陷,可以說是時空環。所以裡面的東西就像籃球里的東西,沒有出路。


打個不恰當比喻,就如一個人被瀑布衝下去,無論他怎麼用力往上游,結局都是被瀑布衝到低處去。
假如現在有A B兩位勇敢的人在朝黑洞方向飛去,A決定在外面看著B,當B進入黑洞的一瞬間,對於A來說,他可以看見B的身上泛起的紅光(紅移定律),當A看著此時的B,已經被定格在某一瞬間,而B已經被跨度巨大的引力拉長,稱為麵條化,不知道此時的B會不會承受巨大的痛苦?但是B會永遠存在於那個黑洞中,因為宇宙這個孤立系統的總混亂度(即「熵」)不會減小。(參照熱力學第二定律)

黑洞所有的質量都處於其中心一個無窮的小點上,我們叫它「奇點」。事實上奇點周圍有很大一塊黑暗區域,那就是黑洞的尺寸,是由它所產生的引力大小來衡量的。離黑洞很遠的時候,光可以像往常那樣自由穿梭,照亮它途經的天空。靠近黑洞後引力變得越來越大,最終即使跑得像光那樣快也無法逃離黑洞的引力,這就是為什麼奇點四周有那麼大一塊黑暗區域的原因。那個由於引力巨大以致光線也無法逃脫的邊界,我們叫它「視界」
我們觀察不到黑洞內部到底是什麼,因為我們需要望遠鏡去看,但沒有光可以傳遞迴來到我們的眼中。


應該說黑洞的存在也是有半衰期的?數十億年的時間足夠讓黑洞蒸發?那麼黑洞蒸發所損失的是質量?是時間?還是輻射?
沒有觀測到黑洞中的物體發散出,然而卻因為視界事件的存在導致外部觀測無法改變,內部現象無法傳達。因此我們無法確定黑洞將吸入的物體從另一面吐出還是煙滅。
黑洞存在無限可能性。


抽象的回答一下吧。黑洞可不只是一塊布上的一個坑。我們教授說對黑洞最好的想像是把黑洞想像成一個瀑布,水流就是空間,空間以超過光速的速度向奇點落去,越靠近奇點速度越大。這個瀑布的頂端叫史瓦西半徑,過了這個地方想要出來就等於想在上面描述的瀑布中逆流而上,就像鯉魚躍龍門,過去的都是能成龍的。
當然黑洞也沒那麼危險,也不是那麼容易掉進去的,你自己有初速度的情況下很容易繞開它,參考各種彗星軌道啥的。


黑洞事件視界內單向膜區時間坐標與徑向左邊互換


推薦閱讀:

月亮為什麼不會看到在北方呢?
阿拉伯天文學中有沒有自己的「星座」?
(太陽光與燭光)對於光源發光的原理兩者是否有差異,都是因為燃燒么?燃燒與量子物理有什麼關係?
月球脫離地球的引力範圍後會怎樣?

TAG:物理學 | 天文學 | 黑洞 | 天體物理學 | 宇宙 |