黑洞真的是吞噬了物体吗?

话说黑洞引力极大,能吞噬任何物体。又因为引力越大,时间就流逝的越慢。那是不是"吞噬"只是表象,而真正的原因却是因为进入黑洞的物体时间过得太慢(几乎是停止),而我们没有那么多的时间去等待物体离开黑洞呢? 看到楼下一些回答表示捉急。所以补充:对于我们来说,是否到目前为止不曾有任何物质穿越视界坠入黑洞内部?如果黑洞是靠吸入物质长大的话,那么是不是现在应该不会有黑洞长大过?
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“谈广义相对论(GR),不谈观者的都是外行”———来自中科大某广相讲师原话(真的只是讲师)

回归主题,“是否到目前为止不曾有任何物质穿越视界坠入黑洞内部?如果黑洞是靠吸入物质长大的话,那么是不是现在应该不会有黑洞长大过?,或者换一个更深入的问题,如果在黑洞形成的过程中引力就不断增大,引力红移不断增大,对于外部观者“会不会根本形成不了黑洞?”。


这就要回归到1939年“原子弹之父”——J. R. Oppenheimer(奥本海默)的文章On Continued Gravitational Contraction, J. R. Oppenheimer and H. Snyder
Phys. Rev. 56, 455 – Published 1 September 1939


他的摘要是这么写的:


他的观点是:
在comoving observer(共动观者)看来,恒星会坍缩成黑洞,耗时大概几天时间;
在external observer(外部观者或无限远观者)看来,恒星永远不可能坍缩到小于引力半径,而是渐进趋向于引力半径。


当然,这篇文章,引来了无数的争论。高能物理所张双南研究员(准院士,量子力学奠基者 狄拉克的学生 的学生),就提出来反对意见。
文章传送门:arxiv.org/abs/1003.1359
张老师的思路大概可以解释为(说的不对的话,请指出):在外部观者看来(共动观者没什么争议),抛入黑洞的粒子即使没有落入黑洞中也会增加黑洞的引力,因此会扩大事件视界面的半径,因此事件视界面会淹没那些渐进于视界面上的粒子。也就是说粒子最终还是落入了事件视界面中了。


(张老师论文中的插图,左边是共动观者测量的粒子的世界线,右边是外部观者测量的粒子的世界线)
短回答:会,也不会,取决于你从什么地方观察。

如果你感到困惑,请看长回答。

有一天,猫在太空中追逐老鼠(这是两只可以在太空中飞行的神奇动物)。老鼠走投无路,一头跳进了黑洞,而猫则留在远处观察。我们来看看在这一事件中,猫和老鼠分别会看到什么。

随着老鼠靠近黑洞,引力越来越强,而且引力增加的梯度越来越大。到了一定距离,对小型的黑洞,老鼠头部受到的引力远远大于尾部。巨大的引力差会把老鼠拉长。物理学家把这种现象叫做“面条化”(spaghettification,这个单词来源于spaghetti,意大利面)。而大型黑洞引力增加比较平缓,可以让老鼠安全的跳进去。

从猫的角度观察,老鼠向黑洞跌落的速度愈来愈慢,而且老鼠身上发出的光越来越红,原来越暗,最后渐渐消失。猫不会看见老鼠进入视界。这是因为,距离黑洞越近,引力越大。由于巨大引力场扭曲时空的效果,时间变慢,所以猫会观察到老鼠跌落的速度降低。对于光来说,变慢的时间降低它的频率。所以老鼠发出的光向低频方向移动。这种现象称为红移。

需要注意的是,红移和蓝移并不一定是光的颜色变红或变蓝,而是指频率变化。红移是频率降低,蓝移是频率增大。
图片来自电磁波_百度百科

猫能看到老鼠是因为来自老鼠身上的可见光。由于老鼠位置时间变慢,光频率降低,可见光红移成为红外线,微波,无线电波,最后频率降至无限低,我们就可认为光已经不存在了。不但猫的眼睛,任何观察仪器都看不到了。这时,在猫的时间线上,或者说在离黑洞足够远的整个宇宙中,老鼠仍然在缓慢跌落,直到最后停止在黑洞视界。从猫的角度来看,老鼠已经停止了。就算等到时间的尽头,老鼠也不会掉进视界。

从老鼠的角度来看,它不会感觉自己向黑洞跌落的过程有任何异常,就像从高处跌落地面一样。它清晰的知道自己穿过视界,进入黑洞内部。所以对于老鼠来说,穿过视界这一事件(event)必定发生,而对于黑洞外的猫来说,这一事件不会发生。这就是视界(event horizon)这一名字的来历:这是一个事件的边界,边界内发生的事件对于边界外的观察者来说,永远不会发生。


在穿过视界一瞬间,如果老鼠回头看的话,他会看到外面的宇宙迅速的发展,恒星耗尽燃料爆炸,银河系和仙女座星系碰撞,所有恒星熄灭,宇宙变得一片死寂。当然从技术上说,它看不到。从外部射进来的光会因为蓝移变成高频的伽马射线,不但无法辨认有效信息,还会把老鼠烤熟(可以认为它在短时间内接收到了宇宙无限长时间内发出的能量)。

最后,回到对问题的回答。

  • 黑洞会吞噬物体,如果你是那个物体。
  • 黑洞不会吞噬物体,如果你不是那个物体。
为什么?