黑洞到底长什么样?是时空的一个破洞?还是一颗实打实的天体?

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  一般我们是将其视为天体看待的,但由于黑洞的独特属性,和其它天体还是有很大区别,比如最常见的史瓦西黑洞,它内部实际上就是一个无体积的奇点,理论上可以认为是空无一物的,虽然不是,但似乎离正常的天体也相差很远。

  

  黑洞分为四种,以是否带电和角动量为标准,有刚才我们提到的史瓦西黑洞,它不带电、没有角动量,只有质量一个属性;还有就是除了质量以外,只带电的莱诺黑洞;只有质量、角动量,不带电的克尔黑洞;最后就是三种属性都带的克尔纽曼黑洞。

  今天我们重点从史瓦西黑洞进行讲解,因为这是它是四种黑洞中结构最简单,网上好多科普都是以它为黑洞代表。

  

  史瓦西

  爱因斯坦当年在提出广义相对论后,由于引力场方程的求解十分困难,本以为不会在短时间内有人找出解,谁想到第一个精确解竟在1916年就被德国物理学家史瓦西求得,他给出了一个静止的、无自转天体对时空各部分会造成什么样的影响。

  

  随着科学家对这个精确解进行后续研究时,发现了两个奇性存在,其中一个奇性被证明是数学上的,也就是说可以通过坐标变换消除,而剩下的一个奇性却是物理上的,通过数学手段无法消除,而这个奇性所对应的位置就是史瓦西黑洞的中心,称之为奇点。

  而刚才一开始说的奇性,其位置则在我们现在称之为史瓦西半径的边界上,这是一个很重要的边界,是区分黑洞与外界的位置,也就是我们常说的事件视界,宇宙中任何物体一旦踏足事件视界,就失去了再次返回宇宙空间的机会。

  用牛顿力学去理解这个事件视界,就是要从逃离此处的物体,其速度必须大于光速,但光速是物体运动速度的上限,除了光子等无静止质量的物体之外,没有谁能达到。(不知道大家有没有看出来,刚才这句话实际上是前后矛盾的,因为光速上限是狭义相对论中的结论,而牛顿力学中速度没有上限,原则上如果考虑了狭义相对论就不要再考虑牛顿力学了,实际上说光速上限,也是不准确的,当然了,着涉及到四维时空的几何语言,这里不多说了)

  

  如此看来,就连光都无法逃离的事件视界,那么物体一旦越过事件视界,那么它的一切信息就意味着与世隔绝了,处于黑洞外部的我们,没有任何办法能够监测到物体进入事件视界后的变化。不过幸运的是,科学家们对史瓦西黑洞的深入研究发现,物体一旦进入黑洞,那么它将会不可避免地掉进史瓦西黑洞的中心——奇点。

  什么叫做不可避免呢?打个比方,一架飞船越过了事件视界,但由于这颗史瓦西黑洞的质量非常巨大,以至于它在事件视界处产生的潮汐力很小,所以飞船可以安然无恙地进入黑洞(不会被潮汐力解体),虽然飞船自身,甚至于里面的人员都不会感到什么身体上的不适,但它们距离黑洞奇点的距离却随着时间的流逝,不断的缩短,也就是说,即便飞船开足马力,都无法阻止飞船不断接近奇点的这个过程。

  原因就在于史瓦西黑洞,事件视界以内的时刻与外界时空是不一样的,内部时空坐标进行了互换,原先的空间带有了“时间属性”,也就是只能单向流动,所以飞船即便开足了马力都无法阻止最终坠向奇点的结果。

  

  当然了,刚才这段话仅仅是通俗来讲的,可能有些不严谨,相比而言,如果换做光锥的讲法,可能效果会更好一些。我们都听过一句话,叫做“光锥之内即命运”,如果在画出描述黑洞的时空图,我们会发现,每个物体在越过事件视界后的光锥无一例外的都朝向内侧,也就是说这些物体的未来都只能局限在黑洞之内,并且最后都得坠落向黑洞。

  

  而物体在接近奇点时,潮汐力会加强,最终没有任何物体可以抵抗这强大的潮汐力,纷纷解体而亡,至于这些物体进入到这个无体积的黑洞后会发生什么变化,我们就不得而知了,因此相对论在此处失效了。

  由此看来,对于史瓦西黑洞来说,如果以事件视界为边,那么在外界来看,它就是一颗不发光的黑球(不考虑霍金辐射),而且神奇的是,在这个黑球内部,竟然也没有任何物体,因此所以被黑洞吸入的物体都会坠向奇点,而奇点又是一个无体积的点(密度无穷大)。

  

  如此看来,史瓦西黑洞既不是一个破洞,也称不上一个合格的实打实的天体,虽然其它黑洞的结构与史瓦西黑洞不同,但总的来讲,也同样算不上合格的实打实天体。

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