主题:这里有人烧『黑洞』的吗? [主题管理员:wayio]
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老坛泡菜
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克尔黑洞的彭罗斯图,以及多重平行宇宙

由于克尔黑洞存在内外两个视界,从前面的视界的特性可以了解到,视界是时间和空间互换的分界线,每穿过一个视界,时空坐标就进行了互换
因此,旋转黑洞的奇环是类时的,而史瓦西的奇点是类空的(正好互换了坐标)
在闵可夫斯基时空图上,克尔黑洞的奇环就不再是横着的,而是竖着的(闵可夫斯基和彭罗斯图都一样,x轴代表空间,y轴代表时间)
由于奇环是类时的,因此它代表的是空间的一个界限,而非时间的尽头,因此,在彭罗斯图上,它贯穿了无穷多个平行宇宙

下面就是更为复杂的克尔黑洞的彭罗斯图的一部分(因为克尔黑洞包括了无穷多个宇宙,因此只可能画出一部分)

其中深色的部分标有s的折线就是奇环,EH为外视界(单向膜区),无限红移面因为不涉及时空的反转,因此在这里就不再标出,IH为内视界
IH和EH围起来的部分时空是反转的,因此维持在一个固定位置上是不可能的,而IH和s折线因为时空再次反转,因此它的时空性质和外部宇宙是一样的。s折线的另一侧叫做“反引力宇宙”,这是因为在方程中这个宇宙是由完备解的,但其中的距离都是负值(反引力宇宙中的北京和上海距离就是-1400km
最后,由于彭罗斯图保角的特性,在彭罗斯图中旅行唯一需要遵循的规矩就是质点飞行的世界线的任意切线不能大于45度

我们先从左下方“我们所在的宇宙”看起,由闵可夫斯基图的性质可知,这个菱形的边界是无穷压缩的,因此包含了整个“我们所在的宇宙”
从其中飞出ABCD四个质点,形成了ABCD四条世界线
其中A质点飞越了第一个EH之后,就无法再返回“我们所在的宇宙”了,因为如果要返回,必须有一段世界线是大于45度角,但是因为s折线代表的奇环是可以穿越的,除非那艘飞船驾驶员脑残了故意在赤道方向向奇环撞上去(另一个前提是不被潮汐引力撕碎,潮汐引力下面会有详细说明),穿越了s折线的质点A就可以探索反引力宇宙了
质点B和C飞入了IH后又从另一侧的IH和EH飞出(有人问为何有限质量物体可以穿越视界?这里飞行时只需遵循不超越45度,B,C世界线都未超越45度,是允许的,而飞出的视界在对面的宇宙来说是“白洞”视界,当然可以穿出)这样,B,C就探索了不同的两个平行宇宙了
质点D的飞行路线是不允许的,它超过了45度角。同样,B和C虽然是一起出发的,但分别到达的两个平行宇宙也是无法通联的。
因此,克尔黑洞给了我们一个探索平行宇宙的方法,但其中仍然有一部分宇宙是禁止探索的。
但是,无论是如何探索,飞过第一条EH后,这些质点就再也无法飞回“我们所在的宇宙”了,如果你是一个飞行员,开着飞船穿越第一条EH后给奇环拍摄了n多照片,但你无法再把这些照片上传到“我们所在的宇宙”的无忌上来炫耀。克尔黑洞的探索机制虽然在数学上被证明,但是在实验中,我们是无法得到任何结论的。
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赞一个wayio的天文物理讲座

可惜本科没有去学物理。现在想看点东西还得先去学数学。
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写的非常好!
前不久还在和朋友讨论,宇宙来源于一个奇点,就是来源于“空”,咋一爆炸就出来这么多东西呢?这不是“无中生有”么? 看了这个贴,懂了很多东西,可是这个还是没懂!
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看了“旅行到宇宙边缘”这个视频,我好像知道宇宙的边缘是什么了:距离就是时间,所以宇宙的边缘就是大爆炸前的那一刹那!没有空间、没有时间、没有物质、什么都没有的虚幻!
宇宙的起点是奇点,在发生大爆炸后,产生了各种各样的天体,产生了时间、空间。但宇宙最终还是会回到奇点,黑洞就是宇宙回到奇点的方式。黑洞也是质量非常大、体积非常小的东西,并且具有非常大的引力,会把周围的天体吸引进去,结果质量更大、体积更小、引力更大,这样发展的结果,宇宙中就只剩下若干黑洞,并且也是互相吸引,最终所有的黑洞合并到一起,形成奇点,于是又一次大爆炸发生了!
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没看懂,也得顶
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相对论目前应该是基本符合观测及实验结果的理论,到底是否准确,也许人类能够知道,也许永远无法知道,也就是可能会永远无法证明或证伪,毕竟人类的科技再发展也会有限度,有很多东西可能永远无法认识,就像如果有二维生物无法(或很难)认识三维世界一样。
好帖子,留爪先!
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Orz......看多会脑乱
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原文由 zephyrus 在2010-03-12 13:48发表
人的认知能力有不可逾越的界限,即便如爱因斯坦和霍金。

人是宇宙进化某一阶段的产物,人的认知范围非常有限。人对自然界发出的信息感受有限,比如人只能在有限的波长范围看到光,叫可见光,但是光的范围非常广,假定人可以看到其他各种光的话,这个宇宙将会给人非常离奇的感觉。。。
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人的认知能力有不可逾越的界限,即便如爱因斯坦和霍金。
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原文由 wayio 在2010-03-06 13:41发表
补图,光锥

舍去了一维空间,xy轴代表空间,z轴代表时间
在光锥内,质点之间可以物质交流,光锥表面,只能通过光来沟通,而光锥之外,是禁区,无法到达。


这个思想有意思.是否用语言可是这么说:一个光子在时\空坐标上的轨迹就是"时\空"线性,光速就是时空的45度.锥外是禁区是说光速恒定;收窄,空间向无限远接近,这样的话,黑洞奇点不可能到达.
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由现象归结出的自然法则,得到了科学实践的验证,那么这个"宇宙"是真实存在的.基于已知法则得出的推论,尚未得到验证,那么是否还是一种想象?如果我们基础的法则变了(譬如光速可以超越),那么新的"宇宙"是否就诞生了?
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zhe ge yao ding!
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原文由 ohlordmygod 在2010-03-12 09:44发表
这个点是人的想象哈,点之外是啥的话也包含在这个点中,不是啥的话就没有外,因此没有点之外之说,因为根本就没有这个外。
一切想象和解释都是人为的,宇宙仍然在按照它自身的规律在演化。

[dongfan 编辑于 2010-03-12 11:08]
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换种意义上讲,人类知识的边界,大概就是这个宇宙的边界吧.这个"宇宙"也是在不断膨胀的.
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强大, 学习. 解释了我很多以前的想法.
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这个点是人的想象哈,点之外是啥的话也包含在这个点中,不是啥的话就没有外,因此没有点之外之说,因为根本就没有这个外。
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兄弟这也烧啊。
我在郑州晚上抬头都看不到星星,更别说黑洞啊
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原文由 无计留春住 在2010-03-11 18:00发表

这个有意思。如果最初宇宙是个点,那么,点之外是什么?


------------------------------------------------------------

点之外是无限个点、这些点又都包含在一个大一点的点中、、、

再问我这个大点之外是什么?  "重复上一句" 

到底地球或者我们这个宇宙处于哪个点、、我真的不知道。。。 
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对于所谓平行宇宙,所谓时间倒流,其实想也不用想。问题是我们对于时间的概念是怎么理解。我的理解就是时空和物质存在不可分割。时空就是物质运动的表现形式。有了物质运动就有了所谓的时空概念。离开了物质一切就是虚无,啥都不存在。
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原文由 IBMX31 在2010-03-11 23:52发表

现在一种我感觉比较能够接受,也流传最广的说法:宇宙外面(包括宇宙只是个点的时候),没有时间、空间。

时间、空间是我们度量世界的东西,对于更多维的世界,我们无法理解和想象,只能用公式去推导,以及用一些多维物体在我们生存的四维空间的投影来观测和计算一些特性。这方面以前有个数学家好像叫康拉德,打过比 ......


弦论没法解释这问题吧,相对论更不成.说到底这可能是人类的思维方式问题--因果逻辑.记得似乎倒推到普郎克常数就僵死.也许量子论思维可能破局.
不懂这些玄想,又很有兴趣,听课来.
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原文由 无计留春住 在2010-03-11 18:00发表

这个有意思。如果最初宇宙是个点,那么,点之外是什么?

要用广义相对论解释了吧?
大概意思好象是时间空间都是无穷大,无穷延伸会在无穷远处连接成一个球面云云,我是实在没有脑子理解了。。。。
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史瓦西黑洞的彭罗斯图

在理解克尔黑洞之前,我们先从最简单的黑洞,史瓦西黑洞来入手研究。
彭罗斯发展了闵可夫斯基图,利用它画出了史瓦西黑洞的拓扑结构。

我们先看物质所在0点的那个菱形,记住,这个菱形虽然面积不大,但是却是无限时空的压缩,它包含了0点所在的整个时空,1点是将来无穷远(类时无穷远),2点是类空无穷远
1-6-7组成的阴影区代表了一个黑洞,1-6线条代表了奇点,而1-7线条代表了视界。

光是史瓦西黑洞的彭罗斯图,就给我们展现了很多有趣的性质。

单重平行宇宙
可以看到不同于0点所在的时空,4-5-6-7围绕了另一个闵可夫斯基时空,因为闵可夫斯基图是有限面积包含完整时空的,因此,4-5-6-7是一个完全独立于0点所在宇宙的另一个宇宙!

白洞
由于过去类时无穷远的存在,只要t的负号变化,我们就可以看到存在一个反演的黑洞,
反演的黑洞性质类似于正常的黑洞,也有视界存在,但是视界是反向的,0点所在宇宙的物质无法进入反演黑洞的视界,而7-3-4围绕的时空中的物质将无法静止,必将穿越视界进入未来无穷远。物理学上,这称之为“白洞”,它是相对论的一个完备解,有精确的数学定义的,当然,数学解并不一定就是合理的。

下面从0点飞出4个质点,走出ABCD四条世界线
其中A世界线的质点保持匀加速运动,无限远离黑洞
B世界线的质点保持和黑洞相对静止,它将终止与顶角1,即将来无穷远(这里可以看到1其实也是将来奇点的一部分,后面会看到霍金的奇点原理规定了任何时空都至少包含1个奇点)
C世界线的质点是探索黑洞内部的飞船的世界线,它越过1-7线段(视界)后将无法折回(任意大于45度角的飞行都是禁止的),终将坠毁于奇点
D世界线是试图访问平行宇宙的飞船的世界线,可以看到这是被禁止的,因为它超越了45度角飞行。
因此,平行宇宙之间是无法通联的。
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一切从何而来,奔向何处?

最初因和最后的果是什么?
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宇宙、生命的目的是什么?
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原文由 无计留春住 在2010-03-11 18:00发表

这个有意思。如果最初宇宙是个点,那么,点之外是什么?


现在一种我感觉比较能够接受,也流传最广的说法:宇宙外面(包括宇宙只是个点的时候),没有时间、空间。

时间、空间是我们度量世界的东西,对于更多维的世界,我们无法理解和想象,只能用公式去推导,以及用一些多维物体在我们生存的四维空间的投影来观测和计算一些特性。这方面以前有个数学家好像叫康拉德,打过比方:比如一个二维世界的人,是平面的,没有厚度只有长宽概念,他是无法理解和想象我们三维人在三维空间看着像什么样子,因为他看不到三维空间,他可以看到你投影在二维世界的形象:是完全平面的,如果你正对着他的平面,他可以看到你鼻子、眼睛的轮廓,但他不知道鼻子是比眼睛突出的;当你转身90度,侧面对着他的平面时,他会非常惊奇你的轮廓变化。再比如一个透明正方体,投影在他的平面世界,是什么样子呢?由于透视关系,会显示成两个正方形,一大一小,小的套在大的里,然后临近的顶点两两直线相连,那么二维平面人如果有高度智慧,他估计能用方程算出两个正方形在三维空间其实是一样大的

但我们的科学家,还不能分辨我们世界中的东西,哪些是宇宙外面世界的投影,自然就无法开展研究。因此宇宙外,还是未知世界

[IBMX31 编辑于 2010-03-12 00:00]
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克尔黑洞模型的最神奇推论:平行宇宙

这个推论是根据克尔黑洞的数学模型经过数学计算推导的,有着精确的数学解,而非物理学家拍脑袋胡编的。
当然,数学解是数学解,但是否真实存在是需要考量的。
就像相对论来说,时间取负号不影响相对论的解,也就是说时间反演理论不变(可以理解为时间反演,地球反着绕太阳旋转,但轨道还是那条轨道,不因为时间箭头变化而轨道解就不一样了),但是实际情况并非如此,时间箭头怎能反演?地上的碎片突然集中起来变成一只玻璃杯然后自动跳回桌面?

不过,即使是数学解,其物理意义也是有趣的。

在此之间,必须要学习一下彭罗斯图(彭罗斯就是霍金的老朋友)
最简单的就是闵可夫斯基图,这和常规的时空图是不一样的。常规的时空图可以参考前面的那张光锥图,舍去一维空间,xy轴为空间轴,z轴为时间轴,z轴正向代表时间箭头。
那么无穷远在哪里?没办法画出来,只能用一个箭头指向无穷远的方向而已。无限未来在哪里(t=+∞)?也没办法画出来。
而闵可夫斯基图的优点正是可以在有限范围内标注出无穷远和无限未来。
这个菱形的中点代表现在和这里(r=0,t=0)
垂直朝上的直线代表时间维度,水平左右的直线代表空间维度。
那么,菱形顶端的端点就很好理解了,代表无限未来(t=+∞),底端的端点则代表无限过去(t=-∞)
左右端点代表类空无穷远,r=∞,t=0.这里代表禁区,因为我们知道,速度最快的是光速,在t=0的时刻,也就是不用时间,怎么可能将信号(光信号)传播到无穷远的地方呢?因此此端点是类空的

比较难以理解是吧,可以简单想象一下,这个图的xy轴刻度是不均匀的,越朝外,压缩的就越厉害,到达四个端点时,压缩就是无穷大,因此我们可以将无限的时间和空间在有限的图里面标注出来。
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从克尔黑洞提取能量---太阳熄灭后人类最后的能量源

当恒星的核燃料逐步使用完毕后,银河中再也没有太阳可以提供光和热,只剩下了大大小小的致密星,此刻的人类如何生存?从克尔黑洞提取能量应该是最佳的解决方案了。
不同的是,这不是一个科幻故事,而是物理学家通过公式证明了的。
假设有一个物体以一定的轨道进入能层,在能层中受控的爆炸为AB两个部分,可以设定计算机控制爆破角度,使得B以一定角度落入黑洞并被黑洞吸收,而A则以另一个角度更高速的飞出能层。这是合理的,因为根据动量守恒,A可以获得比原本更高的速度;虽然A进入的是无限红移面,但它不是视界,只要速度角度得当,物质还是可以飞出的。
接下来把A,B和黑洞作为一个整体,因为角动量守恒,A以更高的速度(更高的角动量)飞离,必然分走一部分黑洞的角动量。也就是说,克尔黑洞的转动能被提取了,A可以被人类俘获并使得动能以一定条件转化为需要的能量,例如A撞在杠杆上从而推动发电机发电。
甚至有人已经设计了一座工业城市,巨大的钢性骨架围绕克尔黑洞建造,距离足够远以避免黑洞的吸收。城市垃圾就通过垃圾车运往黑洞,在能层中垃圾从垃圾车中分离,计算好角度以使得垃圾车可以获得更多的动能并返回,再推动发电机发电。
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克尔黑洞的拖拽效应
克尔黑洞不但自传,而且拖拽着其周围的时空一起旋转
大家可以想象下一洗脸池子的水,拔掉底部的塞子,池水留下去的时候形成了一个漩涡
克尔黑洞对空间的影响也是如此

那么,拖拽效应会引起什么现象呢
先举一个简单的例子,假设一条河流上有一艘船在航行
因为发动机功率有限,船的最高速度只能到每小时30km,
假设河水的流速是10km每小时,那么,如果船开向上游,相对于岸边只能以20km每小时运动,如果船开向下游,则相对于岸边可以以40km每小时运动,这里就有一个航速的“航行圈”概念。
假设河水速度达到了30km每小时,那么船如果开向上游,无论如何行使,始终和岸边保持静止。
假设河水速度达到了40km每小时,那么船即使船头向上游,它还是不可避免的向下游移动了。

克尔黑洞周围的时空也是如此,
当一个质点(例如一艘飞船)进入无限红移面后,无论它的引擎如何强大,它都必须被这个大漩涡推拽着旋转,也就是说,在无限红移面后,以无限远处作为参照系,其都不存在静止的物质。
即使这艘飞船是逆着克尔黑洞的自传方向,以趋于光速的速度逐渐接近黑洞,在进入无限红移面后,它终将被拖拽着顺着自传方向运动。

这里用光锥最说明,就很好理解了(还记得光锥的概念吗?定点代表质点,轴线代表时间箭头,光锥内部代表质点可以运动的范围,光锥表面是类光曲面,只有光线可以到达,而光锥外部是禁止的,质点无法到达)
用一个切面切割光锥,投影后可以得到此刻质点可以运动的一个范围,就是“航行圈”
如果光锥被克尔黑洞拖拽,光锥倾斜,在达到一定程度后,投影质点将离开椭圆,也就是说无论如何,质点都无法保持静止。
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马克
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是否视界外的时空弯曲(引力红移)现象已被现在的天文观察所证实,以此证明黑洞之存在?
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