向黑洞下落

文摘   2024-06-10 11:23   北京  

在《三体Ⅲ·死神永生》中有这么一个场景:人类制造了一个施瓦西半径为21纳米的微型黑洞,然后对它进行研究,之后一个叫“高Way”的科学家,由于心理上的原因,自己主动接近这个微型黑洞然后被吸了进去。后来的人们用望远镜看到这个小黑洞表面有高Way的轮廓,看起来他永远静止在了那里。

图片来源于网络

这是一本科幻小说,我们不细挑所有的细节,比如小黑洞的霍金辐射很强以至于黑洞的寿命很短,或者高way被吸入而轮廓没有被扭曲等等。我们只关心一件事,为什么他看起来静止了?

在上学期的广义相对论课上就讲过这个问题(当然没讲三体,只是讲黑洞周围的时间),这里就不推导了,直接给出结果(还是自然单位制)。

一个静质量为单位质量的粒子在离黑洞(施瓦西黑洞)ri远的地方由静止开始下落,ri满足

其中M为黑洞质量,E为粒子下落过程中的一个常量,代表将粒子放在离黑洞无穷远处时粒子的能量。所以如果是无穷远处由静止开始下落的粒子,E=1,如果是从有限远处静止下落,那么E<1。

再做个变量代换,把r换成变量η,η的取值能覆盖粒子初始位置一直到奇点r=0处

当η=0代表起点位置,当η=2arcsinE代表施瓦西半径r=2M(在国际单位制中为r=2GM/c²)位置,当η=π时代表奇点r=0位置。

从粒子的测地线方程可以得出,粒子的固有时(就是把粒子看成一个人,固有时就是这个人戴的手表的读数)在下落中的变化为

你可以从上面这个式子算出在这个落向黑洞的人看来,自己几点几分穿过了黑洞视界半径,几点几分到达奇点。

再让我们看看离黑洞非常遥远的人根据自己的手表读数(无穷远观测者的固有时),测量这个落向黑洞的人的下落过程

由于有个ln函数,在η接近2arcsinE时就使得t趋于∞了,也就是在无穷远处的观测者看来,需要很长很长很长无穷长的时间才能看到这个人到达黑洞视界,看起来就几乎静止在黑洞视界附近了。

本文完。

地球远征军
普通一本毕业的物理大学生,在普通一本继续读物理研究生,当个普通人的同时多多思考宇宙。记录学习物理之路上的有趣见闻,一起保持住刚学习物理时的惊喜感和好奇心,希望有生之年看到人类遨游宇宙,走向星空。
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