通1024
黑洞是广义相对论中的特殊天体,我们至今没有真正观测到过。这也是“黑洞”名字的由来,这种特殊天体有极大的质量和密度,导致它的逃逸速度大于光速。光都无法从该天体中出来。
但是黑洞对周围时空的影响留下的痕迹,我们已经确认这种特殊天体的存在。大多数黑洞都是由大质量恒星演化到生命后期经过超新星爆炸形成。它们使时空发生弯曲,从广义相对论出发,时空弯曲的曲率越大时间流逝速度越慢。更简单的说就是引力越大,时间越慢。
在《星际穿越》中主角一行人去到绕黑洞公转的行星,在那里一个小时的时间等于地球上的七年。而如果一个人可以去到黑洞的视界上,那里的时间无限接近于静止,如果我们能观测到他,我们可能会发现他静止在那里一动不动,或者花1000年的时间他就眨了一次眼睛。
反过来说,他并不会感觉到自己的时间流逝速度变慢了,他在那里的一个小时地球上可能数亿年都过去了。甚至是太阳系都不存在了。这就是广义相对论的时间膨胀效应。
这种广义相对论的时间膨胀效应在我们日常生活中也会用到,例如我们的手机导航如果没有进行时间调整,将会产生极大的误差出来。卫星在轨道上飞行它的时间需要经过引力及速度影响的校核。
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科学黑洞
根据广义相对论,对于处在不同强度的引力场中的观察者而言,时间流逝速率是不一样的,弱引力场中的观察者会测得强引力场中的时间过得更慢,这就是引力时间膨胀效应。由于黑洞附近的时空受到了强烈的扭曲,而地球附近的时空受到弯曲的程度较小,所以地球上的观察者会认为黑洞附近的时间过得很慢,并且越靠近黑洞,时间流逝速率越慢。
由于黑洞强大的潮汐作用,人在接近黑洞事件视界的过程中,身体不同部位受到的引力作用相差很大,从而导致身体被扯碎,俗称“意大利面条化”。因此,正常情况下,人是无法完整地近距离接触视界。但我们可以考虑靠近黑洞的情况,如果有人乘坐宇宙飞船在黑洞周围飞了一小时,那么,地球上的人会认为宇宙飞船在黑洞周围的飞行时间远不止一小时的时间,具体多少要看有多接近黑洞。例如,在《星际穿越》中,一颗行星近距离环绕黑洞运行,在这颗行星上过一小时,等同于在地球上过了七年,引力时间膨胀效应相当显著。至于被视界包围住的时空,我们还没办法知晓究竟是怎么回事。如果不考虑人被黑洞撕碎的情况,在黑洞视界附近待一个小时再回来,地球上早已是沧海桑田。
事实上,引力时间膨胀应在地球上也能表现出来。例如,由于GPS卫星远离地面,受到的地心引力相对较小,导致GPS卫星携带的时钟每天比地球表面上的时钟快了45微秒,这个误差对于定位而言是不能忽略的,必须要消除掉。
火星一号
如果你在黑洞上活了一个小时,那么地球过了多长时间?
其实看过《星际穿越》的朋友都知道,即使在距离黑洞“卡冈图雅”很远的米勒星球上,那边的一小时就相当于地球上过去了七年!可想而知在黑洞里呆一小时,这对于地球是多久哈....当然这并不是瞎猜,广义相对论里早已有给我列好了计算公式!
当然了解黑洞引力与时间关系的朋友,即使目测也会发现其实米勒行星上的时间交换比和它所在的位置是不成正比的!也就是说米勒行星上的一小时和地球上比起来大概也就1-2小时之间,最多也不会超过太多!那么在视界位置能达到这个效果吗?或者说这个交换比是多少?
t为黑洞内的时间体系,T为观测者时间,G为万有引力常量,M为黑洞质量,r为所处半径,c为光速!
这些参数里:
万有引力常量:G=6.67259×10^-11N·m2/kg2
黑洞质量:一般原生黑洞质量为太阳的3.8倍
黑洞的视界:R=2GM/c^2
太阳质量为:1.9891*10^30千克
那么视界为:R=2×6.67259×10^-11*1.9891*10^30×3/299792458^2=265448975380000000000×3/89875517873681764=8860.55M
这个黑洞的史瓦希半径大概是8.8KM
那么我们来计算下时间看看,在这个史瓦希半径处时间流逝交换比是多少?
t=1√1-265448975380000000000×3/8860.55×89875517873681764=1√1-796346926140000000000/796346519895650954010.2=1√1-1.0000005101351470704259697432536=∞
计算的结果是,在史瓦希半径处时间已经接近无穷大,其含义很简单,即黑洞内流逝的时间无法计数的,任何可计数时间对于外界来说都是无穷大,因此当某人在黑洞内过了1小时之后,那么出来他将发现宇宙也许已经变了模样,地球可能早已不再......!!
其实现实中案例也很多,比如GPS定位系统的卫星原子钟就比地面上的要快一些(大约是45微秒/天),因为它比地面更远离地球这个引力中心!
星辰大海路上的种花家
人怎么可能掉进了黑洞里面还能完好无损呢?
在黑洞里面,是没有时间概念的,一个人如果被黑洞引力吸引,那么他就会慢慢被扯进黑洞里面,整个人变得越来越苗条,就像一根面条一样,黑洞是宇宙中最可怕的天体,它强大的引力足以撕碎一切物体。况且黑洞里面温度非常高,人要是进去了,分分钟化成灰。
黑洞并不是一个可以看得见的星球,也并非像一个球一样,它看起来就像是一个洞,一个可以吞噬一切物体的洞。这个洞的中心,是一个点,这个点质量巨大,体积无限小,引力无限大。
黑洞并不能被直接观测到,我们看到的各种图片中的黑洞其实都是想象出来的样子,巨大的“球体”不过是它的视界面,在这个面里,光都无法逃逸。在黑洞里面,最明显的就是时间减缓,我们都知道光速不变理论,在黑洞里面,光子移动的速度一样是光速,但是对于光子来说,时间变得异常缓慢了,即使速度如此之快,光子也无法逃逸。
这么说来,人是不是就没有办法看到黑洞内部是什么样的了吗?还真不是,虽然我前面说的也没有错,按照常理来说人不可能完好无损地在黑洞中生存,但是黑洞异常奇怪,人在没有进入黑洞的时候就已经被撕裂了,但是有一些科学家提出了一种观点就是
人在进入黑洞的那一瞬间现实就一分为二了,在一种场景下,你人被撕裂了,而在另外一种场景下,可能毫发无损,这不是没有可能的,黑洞内部的空间是四维的,强大的引力引起的时空变形,空间可以变形,时间也可以,有可能在黑洞中你是永恒的。但是对于看着你进入黑洞的人来说,你已经被黑洞拉成一根面条了,在别人的眼中你已经死了。所以说,在黑洞中的画面是很难说的清楚的,在黑洞中的你,在别人的眼中已经死去,但是对于你自己来说,你还可能在黑洞中永存,至于在黑洞中的一小时又是什么概念呢?黑洞中没有时间概念的,不管是一小时或者是一秒钟在黑洞中都没有区别也没有意义,很可能你出来之后地球根本就没有变多少,还有可能是你出来之后太阳系甚至是宇宙都不复存在了。
镜像宇宙
对于科学家来说,黑洞一直是一个未解之谜;对于普通大众来说,黑洞更是带有许多神秘的色彩。有人会有担心和疑问,如果人掉入黑洞,究竟是会被立即撕成碎片,还是会安然无恙毫发无损?没人会知道答案。
爱因斯坦曾经告诉我们,重力会导致时空扭曲。当一颗超大质量恒星燃料燃烧殆尽的时候,就有可能产生某种足以导致世界扭曲的极端密度。当它的质量衰减到一定程度时,就会向内塌陷,空间也就随之扭曲。引力场变得异常强大,以致于没有任何光线可以逃离,就会使得原恒星所在区域变得异常黑暗,也就是所谓的黑洞。黑洞的边界可以抵消光线企图逃离的力量。越接近黑洞边界,越是无处可逃。黑洞边界充满了能量,边界的量子效应产生了炽热粒子流,并向周围的宇宙空间辐射开来,这就是所谓的“霍金辐射”,这是以著名物理学家史蒂芬-霍金名字命名的。在足够长的时间内,黑洞将辐射消耗完自身的全部质量,并随之消失。
如果你能够深入到黑洞之中,空间将变得越来越弯曲,直到黑洞的中心,空间就已变成了完全的扭曲。这是一种奇怪的现象,因为时空已经不代表任何意义,我们所知道的物理学定律将不再适用。黑洞中究竟发生了什么?没有人会知道。黑洞的内部,一直是一个谜。
假如你意外掉入了宇宙中的某个黑洞,将会发生什么呢?首先,让我们假设你有一个名字叫安妮的同伴。当你在掉入黑洞时,她正处于安全的范围以外,而且亲眼目睹了这恐怖的一幕。从她的角度来看,所有事情都将变得极为神奇、怪异。
黑洞边界并不是某种固体障碍。
当你向黑洞的边界不断加速掉落时,安妮会看到你的身体不断伸长并开始扭曲,就好比她正通过一个巨型放大镜在观察你。此外,你距离边界点越近,你前进的速度看起来变得越来越慢。你也无法向她喊话,因为那里没有空气。当然,你可以用你的手机向她发送闪光信号,比如摩尔斯电码。不过,你向她发送的信号可能会传输很慢,很迟才到达她那里,因为光波也被拉伸扭曲,并被降低了频率,比如这样,“一切都好,一..切..都..好,一...切...都...好,......”。当你到达边界点,安妮看到你变得静止,就像是有人按下了停止键。你静止在那里,没有任何动作,身体沿着边界不断拉伸,并被炽热的火焰所吞噬。在安妮看来,因为空间的拉伸、时间的停止以及霍金辐射的火焰,你已经慢慢地消失了。甚至在你越过黑洞的边界之前,你就已经化为灰烬。
在为你准备葬礼之前,让我们先忘记安妮,再从你自己的视角来回顾整个过程。在你自己看来,是不是也有更加神奇的事情发生呢?答案是没有。当你向这个宇宙中最为不祥的目的地不断加速前进时,你没有任何碰撞或不安的感觉,当然没有拉伸、变慢的变化或可怕的辐射。那是因为你正处自由落体运动过程中,你没有感受到任何重力,这也是爱因斯坦所认为的自己“最愉快的想法”。
霍金辐射自黑洞边界喷出。
毕竟,黑洞的边界并不是漂浮于太空中的一面砖墙,它是透明的、无形的。黑洞之外的观察者无法看透它,但是对你来说不是问题,因为你并没有感觉到那个边界的存在。当然,如果黑洞较小,你就会遇到难题。如果你的脚部的重力远大于你头部的重力,那么你就会被拉抻成一段意大利面条那样的形状。不过,幸运的是,你遇到的是一个大黑洞,一个比我们的太阳要重数百万倍的黑洞。因此,那种会将你拉成意大利面条的引力差别已小到足以忽略。
一旦掉入黑洞,你将永远无法出来。
事实上,在一个足够大的黑洞中,你甚至可以正常地度过余生,直到抵达黑洞的奇点时死亡。你也许会想,这样的生命究竟正常到什么程度?毕竟你会被吸入时空裂缝,会违背你的意志,更无法回头另择出路。但是,你要考虑到,你的感受并不是来自空间体验,而是来自时间。时间只能向前,永远无法回头。这并非仅仅是一个类比。黑洞扭曲了时空到一个如此极端的程度,以致黑洞内部的时空完全互换了角色。从某种意义上讲,是时间将你拉到了黑洞的奇点。你无法转向,也无法逃离黑洞,就好比我们无法回到过去一样。
美文坊
黑洞有一个视界,视界之内光都逃不走,视界之外则时间流速较慢。视界把黑洞和我们的宇宙分为两个独立的时空,成为两个独立的系统。
关于黑洞外部的时间流速,无用质疑比地球速度慢,就像中库伯在黑洞旁边时,其时间可以达到地球7年,其才过1小时的比率,可见黑洞改变时间之威力。但是在黑洞内,时间是完全可视化的,库伯可以看到地球的过去和现在,他甚至可以通过引力去改变过去。也就是说,黑洞内的物理规律和黑洞外的完全不同,黑洞内部时间存在的方式也和外面不同,我们甚至不能够理解黑洞内部的时间定义。
库伯进入黑洞出来后,其女儿之所以变老,是因为库伯进入黑洞视界之前的时间膨胀效应导致的,而非进入黑洞后时间不同导致。黑洞中的时空和外面的时空完全不对称,所以,进入黑洞后,即便你经历的时间再长,你都可以随意选择一个宇宙的时间点出现。这就像两个时空的时间线,可以通过虫洞任意相交,而非有一个固定的时间比率。
所以,进入黑洞1个小时后,你可以选择出现在地球的任意时间点出现。当然这个时间点只能够选择你进入视界之后地球上对应的时间。
科学探秘频道
黑洞,其实本质上与地球没有什么区别,也是一种天体,只不过质量和引力极大,以至于什么事物都逃脱不了它的“魔掌”,被黑洞强大的引力捕获!
所以从这点上来看,我们是无法在黑洞上活上一小时的,它无比强大的潮汐引力会瞬间把我们撕碎。理论上我们只能尽量靠近黑洞,但是不能越过黑洞的“事件视界”,否则我们将永远回不来了!
根据爱因斯坦的广义相对论,引力的大小可以影响时间的流逝,引力场越大时间流逝就相对越慢。所以距离黑洞越近感受到的引力就越大,时间流逝就越慢!
科幻电影《星际穿越》里面主人公在黑洞附近过了一小时,地球上就过去了7年!所以理论上可以去距离黑洞更近的地方带上一小时,地球上的时间会过去更久!
但同样是《星际穿越》,最后男主角穿越了黑洞,不过他没有被黑洞的强大潮汐引力撕碎,而是进入了五维度时空!不过这种情节已经属于科幻的范畴,不再属于科学!
宇宙探索
上帝从不胡弄人
暂不说其他因素,按照广义相对论,引力场越强的地方时间过的越慢,由于题目里的一个小时是你站在黑洞附近时间,比如手表分针转一圈,相对而言,地球上的时间正在极速流逝,可能是一年,也可能是一亿年。
开头说的黑洞附近,实际上是指黑洞的事件视界,这是一个空间范围,如果有物质踏入事件视界的边上,那就再也逃不出黑洞了,包括光。因此题目中的“你”应当是站在事件视界外面一点点,否则你是不可能再健康的完好的回到地球。
就如狭义相对论有时间膨胀公式一般,这里的时间变慢也是有公式的,如下图
这是一个史瓦西黑洞附近的时间变化公式,对于地球附近也可以用这个描述,比如GPS就考虑到了这点,因此它的时间需要用相对论来修正。
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赛先生科普
如果你相信时空的话,那么,人类如果造出时光机,就是和黑洞一样可以扭曲时间的东西。
喜欢研究时间的朋友都知道,黑洞里面是没有时间概念的,如果把天上一天,地下一年的概念放到现在,并不是不可能的。
古人的智慧,到现在很多还是受用的,并不能否认古人的知识,只是他们证明疑问的方式不同罢了,所以当时就有鬼神说,因为人不相信,所以并不能说当时没有很聪明的人研究这个世界,只是让人不信服。
大家有没有发现一个问题,不管是古人什么说,其实都应验了,只是我们以我们的方式去证明而已,当时古人也以他们的方式令人信服了。
所以,世界再什么变化,其实都只是一个轮回,是一个以自己生存方式为前提的轮回,2000年过后,世界上的人都会觉得自己比现在的马云还识时务。其实,他是很聪明的。
所以,我们永远逃不过时间的枷锁。
我们有我们活着的规律,不知道还要经历多久,才能有证明这个事实的人类。总之我们现在是无法理解的。
如果说有时光机,哪怕是时光机只能回到十年前,那么至少可以证明,我们现在是没有未来人穿越过来的。
所以,万物只是在自己的轨道上重复昨天的事情而已。也许我们在5000前面有来过这个世界。
只是越来越先进,但是永远没有时间。
也许,那时候真的有龙呢。只是太远太远了。