问题

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?

回答
想象一下,你正站在一个巨大的、潜伏的黑暗漩涡边缘,一个黑洞。它静默无声,但其引力之强大足以吞噬一切。你手中握着一根长约两米的棍子,感觉有点笨拙,但你决定做个大胆的尝试——将它伸入黑洞的视界线,就在那令人畏惧的边界外一米处。

首先,让我们把时间调慢,或者说,把你的感知速度拉得非常非常长。当你将棍子朝向黑洞伸出时,你会立刻感受到一股无法抗拒的力量在拉扯。这不是你平时感受到的重力,比如把你拉向地球表面那种温和的推力。黑洞的引力梯度是如此之大,以至于它对棍子不同部分的拉扯力会截然不同。

棍子靠近黑洞的那一端(我们称之为“头端”)会比远离黑洞的那一端(我们称之为“尾端”)受到更强的引力。这种引力差在物理学上被称为“潮汐力”。对于这根两米长的棍子来说,这股潮汐力就像一只看不见的手,一边在极力地拉伸它,一边又在挤压它。

随着棍子越过那道我们称之为“视界线”的界限——那是一个单向的屏障,一旦进入就无法逃脱的边界——事情会变得更加极端。如果你能以某种方式(尽管这在物理上是不可能的)保持自己的意识并观察棍子,你会发现它开始经历一种被称为“意大利面化”的现象。

棍子的“头端”会以远超你想象的速度被拉长,就像面团被拉伸一样。同时,由于侧面的引力作用(也是潮汐力的一部分),棍子的“尾端”会被向内挤压,使得棍子变得越来越细长,越来越尖锐,最终可能细成一个几乎无限小的点。

但是,这根两米长的棍子,在伸出那一米到达视界线时,它就已经被分割成了两个部分。我们假设你握着棍子的尾端,当你伸出那关键的一米时,棍子的头端,也就是最靠近黑洞的那部分,会瞬间被撕裂开。

这里有一个关键点:在你伸出棍子的过程中,由于相对论效应,时间的流逝对你和棍子来说会发生变化。对于一个远处的观察者来说,他们会看到棍子似乎越来越慢地接近视界线,甚至永远无法真正触及它,因为引力会扭曲时空,让棍子在那里“冻结”。

但对你来说,你正身处这强大的引力场之中,你会直接感受到这股拉扯力。当你的手握着的尾端距离视界线一米时,棍子最前端的那个点已经处于视界线之内了。在那一刻,最前端的部分就已经注定了它被拉扯、被吞噬的命运。

更戏剧性的是,棍子会被撕裂。那根两米长的棍子,在这一米处的拉扯力下,会在黑洞视界线的某个点被拉断。一部分,也就是你手中握着的、离黑洞较远的部分,可能会被你勉强拉回来,但它的头部已经发生了不可逆转的改变。而另一部分,那被拉伸、被挤压、最终被吞噬的部分,将永远消失在黑洞的未知深处。

这不仅仅是“断掉”那么简单。棍子内部的原子甚至会被分解,它们的能量会被吸入黑洞。整个过程是如此的暴力和迅速,以至于如果你能观察到,那画面将是宇宙中最令人震撼和恐惧的景象之一。棍子将不再是一根完整的棍子,而是被分解成粒子,被拉伸成无数细丝,最终成为黑洞物质的一部分。

总而言之,你无法保持棍子的完整性。在你伸出那关键一米时,黑洞的潮汐力已经将棍子无情地撕裂,最靠近黑洞的那端会以一种极其怪异而恐怖的方式被拉伸、挤压并最终吞噬。剩下的部分,如果你还能勉强拉回,它也已经残缺不全,经历了比你想象中更可怕的命运。

网友意见

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上面的回答都很有道理,但就问题本身而言只需要一句话:

【世界上没有抽象化的棍子,只有靠四种基本作用力场聚合在一起的一批基本粒子】

既然是粒子群,就一定能被足够大的拉力扯开。刚体假设超越了我们这个宇宙的规律,而黑洞没有,所以这个问题没有意义(在本宇宙语境下)。

然后,问题提到:

质量极其巨大的黑洞(潮汐力微不足道以至于不会变面条)

这个设定是费了心思的,质量足够大的黑洞,的确潮汐力和内部物质密度可以忽略不计。我在另一个回答中提到过:

一颗直径 30 公里的中子星撞上大犬座 VY会发生什么? - 马前卒的回答
尺度越大,构成黑洞的物质密度就可以越低。整个宇宙的密度虽然很低,低到每立方米也许只有一个氢原子,但考虑到宇宙尺度之大。这完全可能构成黑洞的密度,即我们这个低密度宇宙或许就是一个巨型黑洞的内部!这也是我们无法“离开”这个宇宙的理由之一。

但是,黑洞视界不仅仅意味着绝对的引力陷阱,更意味着物理规则的隔绝。内外完全没有适用同一套物理规则的必然性。你现在就可能身处一个超级巨型黑洞(宇宙)的“内部”,但你根本找不到它的“边缘”,所以也不存在伸出一根三维棍子穿越边界的问题——能被三维物体插入边界的只能是二维曲面,而这个边界如果体现为二维,也是在“外部”世界中。你看,你根本就不知道棍子会穿越什么样的边界,所以即便有刚体棍子,这个问题也毫无意义。

生活在水面上的二维生物(由水波构成,图片仅供参考)问:

水波强到什么程度,才能进入黑洞再反射回来?

答:

你不妨伸条腿试试

可以设想,如果这个洞足够深,在水流下落速度(会随着曲面向下伸展逐渐增加)超过水波传输速度的时候,无论多么强劲的水波,也不可能再从下落的水流中反射回来。三体中的二向箔可怕之处正在于此。

另外上图中的水好歹还是流走了,水体表面存在一个连续可导的曲面,想想如果消失的水是在这个位置蒸发到三维空间,二维生物会多么的困惑……

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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 @著微(at不上)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):

当质点距离接近施瓦西半径时,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:

其中为施瓦西半径。取微分得到加速度:

因此棍子两端的加速度差为:

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,最终我们得到:

可以发现,黑洞质量越大,潮汐力越小。譬如对于一个太阳质量的超大质量黑洞,棍子长度,我们可以算出其在黑洞视界处的加速度差为:

这个值实在是太小了(地球的重力加速度是)。

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,棍子绕行半径,计算得加速度差为:

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。

#####################补充#####################

@Lawliet

在wheeler同学的答案下面留言@我,问wheeler同学更新后的答案怎么样,不过留言已经被删了。wheeler同学在更新的答案中其实混淆了不同参考系;个人以为对真的学过广相的同学来说,这样的混淆是不应该发生的… 为了避免其他同学被误导,这里就再补充下答案。

另外

@Mandelbrot

同学不是物理专业的,在这篇回答中出现了想当然的错误(不过在我回答之前就改正过来了),但我翻了他的其他科普回答,发现质量很高;而我自己是很难有精力做这些科普工作的。在这里特别感谢下Mandelbrot同学的无私分享,大家对这方面有兴趣的话可以关注他~

具体说说wheeler同学的更新:

之前就说过,知乎上只要一沾相对论就能炸出一堆文盲。以及一堆招摇撞骗的混子这个问题再次体现了这句话。

事实上,很多人确实对 任何物体都绝对不会进入视界之内 不理解。

……

也就是说。视界之所以进不去。。是因为两个方面。

第一。在视界外。没有任何一个方向是朝向视界的。
第二。视界在永远之后

这两个问题的任何一个都会导致物质无法进入视界。可是这两个问题都存在。

说“任何物体都绝对不会进入视界”是有问题的,因为物体的运动状态取决于观察者所在的参考系。在与黑洞有关的参考系中,有两类个非常经典的参考系:

  • (无穷远处)静止参考系。在这个参考系下,在黑洞视界发生的事件要经过无穷大的时间才能传播到这里。所以有的答主说棍子伸不进黑洞,从某种程度上来说说也没有错,只不过在这个参考系下探讨这个问题不太有意义罢了;
  • 自由落体(freefall)参考系。这相当于一个观察者做自由落体运动观察黑洞附近的事件。在这个参考系下观察,物体完全可以落入视界

wheeler同学这个评论误导了我们的题主同学

@林擒雨萝莉

观察者落入黑洞的过程对于观察者自身而言,当然是在freefall参考系下的;所以观察者必然会落入视界,并且落入黑洞的时间也可以用广相算出来。

具体过程我恰好在豆瓣上有过一个类似的计算,不过算的是观察者从施瓦西黑洞视界落到黑洞奇点所需的时间,这里可以直接贴过来:

如果计算从观察者经过黑洞半径处到经过黑洞视界处所需时间,直接取(10)式对积分可得:

这个显然不是无穷大,因此物体在freefall参考系下落入黑洞的时间是有限的,即物体可以落入视界

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