封面｜黑洞的引力效应
大家好，我是科学羊🐑。
无论宇宙有多神秘，有多少未知事件，其实有两件在宇宙不断发生的事你必须知道：
一种是引力波的涟漪，它穿越任何它经过的物质与空间；
而另一种是黑洞的恐怖撕裂，它通过一个“事件视界”牢牢抓住任何靠近的物体，不允许任何东西逃脱。
那么，你想过没？当这两者相遇时，究竟会发生什么呢？谁会占据上风呢？我们不妨来一探究竟。
01 引力波：空间的涟漪
引力波是一种特殊的波动，它以光速在宇宙中传播，携带着巨大的能量。
每当天体之间发生剧烈的运动，像黑洞或中子星的合并时，引力波就会被激发出来。
这些波动本质上是时空本身的扭曲和波动，它们能穿越空旷的空间、气体云、尘埃，甚至像恒星残骸这样的高密度物体，几乎没有任何东西能够阻挡它们的传播。
当引力波穿过这些物体时，它们可以将能量传递给它们所经过的物体，甚至能够扭曲和改变物体的形状和运动。
尽管如此，除了宇宙膨胀和质量引起的时空弯曲的影响外，引力波的传播似乎不会受到任何阻碍。
它们能够不受干扰地穿越整个宇宙。
当引力波通过空间中的某个位置时，它会在交替的方向上引起膨胀和压缩，从而导致激光手臂长度在相互垂直的方向上发生变化。利用这种物理变化，我们开发了成功的引力波探测器，如 LIGO 。然而，与这幅图不同的是，引力波不是简单地在“管道”中传播，而是通过所有的三维空间传播。(图片来源: ESA-C.Carreau)
02 黑洞：一切都无法逃脱的死寂
与引力波的自由传播形成鲜明对比的是黑洞。
黑洞的特点是，它拥有一个“事件视界”，这是一道无形的界限，一旦进入，任何物质甚至光也无法逃脱。
黑洞将其周围的空间扭曲至极点，吸引并吞噬一切靠近的物质。当物体接近黑洞时，它将进入一个无法逃脱的领域，即使是光也会被拉进去，永远无法逃出。
在引力波和黑洞的碰撞中，问题便变得更为复杂：如果一个引力波遇到了黑洞，它是会像穿过其他物体一样穿越黑洞，还是会被黑洞吞噬并增加它的质量和能量呢？
黑洞事件视界之外的时空严重弯曲的图解。随着你越来越接近质量的位置，空间变得越来越严重的弯曲，最终导致一个位置，即使光也无法逃脱: 事件视界
03 当引力波遇到黑洞：两种可能性
关于这一点，科学家提出了两种主要的可能性。
第一种是引力波能够像穿越其他物体一样穿过黑洞。
引力波本身并不是粒子，而是时空结构的涟漪，因此它的传播受时空结构的影响。
如果黑洞本身并没有对引力波产生作用，那么这些波应该能够继续传播。
第二种可能性是，黑洞会将引力波吸收，并将其转化为自身的能量。
这种情况下，引力波的能量将被黑洞吞噬，进一步增加它的质量和角动量。
究竟是哪一种情况成立呢？
为了弄清楚这一点，我们需要更加详细地分析黑洞和引力波的特性。
所有的三维空间本身都会因为宇宙中物质和能量的存在和性质而弯曲
黑洞作为宇宙中最神秘的天体之一，其巨大的引力不仅可以扭曲周围的时空，还能吸引所有经过它的物质。
而引力波则像是一种波动，携带能量并在时空中传播。它们和光子一样，都是能量的载体，并且也受时空弯曲的影响。
虽然黑洞和引力波在物理性质上有许多相似之处，但它们也有显著的区别。
引力波并不像电磁波那样由“粒子”组成，而是由时空的扭曲和涟漪构成。
引力波不仅携带能量，它们的传播受宇宙膨胀的影响，也会因黑洞这样的天体而发生弯曲和偏转。
这一问题的解答可以追溯到20世纪50年代的一个科学会议——当时，理查德·费曼提出了著名的“粘珠实验”来探讨这个问题。
他用一个简单的示意图展示了如何通过摩擦从引力波中提取能量。
费曼的观点是，引力波会使质量沿着杆子移动，就像电磁波使电荷沿着天线移动一样。这种运动会由于摩擦而产生热量，表明引力波携带能量。粘珠参数的原理后来成为 LIGO 设计的基础。
在这个实验中，两根杆子上固定了珠子。如果引力波通过这些杆子，珠子之间的距离会发生变化。
费曼认为，如果珠子和杆子之间存在摩擦力，那么引力波通过时会产生热量，并从中提取能量。
这一观点后来成为LIGO探测器设计的基础，证明了引力波不仅携带能量，而且可以通过物质的摩擦作用被转化为可测量的热量。
当光学干涉仪的两臂长度完全相等，没有引力波通过时，信号为零，干涉图样不变。随着手臂长度的变化，信号是真实的和振荡的，并且干扰模式随着时间以一种可预测的方式变化。这项技术被用来直接揭示引力波的存在。(图片来源: NASA)
引力波虽然能够携带巨大的能量，但黑洞的强大引力场可以将任何物体吞噬。
根据目前的理解，引力波会像任何其他类型的辐射一样，遵循它经过的弯曲空间的路径。
如果这条路径靠近黑洞的事件视界，那么引力波会经历一系列“正常”的相对论效应，例如红移、时间膨胀等。
然而，如果引力波越过了黑洞的事件视界，那么它将毫无悬念地被吸入黑洞，并成为黑洞的一部分。
这是因为一旦进入黑洞的视界，任何物质和辐射都无法再逃脱，只能被黑洞吸收，从而增加它的质量和角动量。也就是说，引力波将成为黑洞“成长”的一部分，帮助它不断壮大。
尽管黑洞对引力波的吸收有很大的作用，但实际上，黑洞的事件视界面积相对较小。
结语
总的来说，当引力波与黑洞相遇时，谁会胜出并不简单。
黑洞的强大引力确实能够吞噬一切，包括引力波，但引力波本身也携带着能量，并且能够影响穿越它们的物质。
虽然引力波的能量对于黑洞的巨大质量影响微弱，但它们在理论上仍然会对黑洞产生微小的贡献。
这一切都表明，引力波与黑洞的相互作用仍然是我们探索宇宙奥秘的一个重要课题。
好，今天就这样啦～
科学羊🐏 2024/12/07
祝幸福~
参考资料：
[1]. medium.Ethan Siegel
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