Sturz in ein schwarzes Loch – wie kann sich meine Perspektive vom Außenbeobachter zum Innenbeobachter ändern?

Ich studiere Molekularbiologie; meine mathematischen Fähigkeiten sind nicht die besten – daher bitte ich um möglichst nicht rein mathematische Antworten. Ich bitte Sie, Formeln oder Diagramme zu erläutern, falls diese in der Antwort enthalten sind.

Ich interessiere mich seit langem für Schwarze Löcher/Ereignishorizonte (ich habe vor mehr als 10 Jahren angefangen, ab und zu darüber nachzulesen) und für viele der Konzepte/Probleme, nach denen Laien auf dieser Seite fragen, und die entsprechende Antworten, sind mir nicht neu. Also bitte ich auch nicht um Antworten vom Typ ELI5 – wenn möglich.

Falls diese Frage schon einmal gestellt wurde, wäre ich für einen Link dankbar. Ich habe keine Antworten gefunden, weder in diesem noch in anderen Foren.

Zur Frage: Der Titel sagt es im Grunde schon. Ich möchte (der Einfachheit halber) über Schwarzschild-Schwarze Löcher/entsprechende Ereignishorizonte sprechen. Wie ich es "verstehe", scheint ein Ereignishorizont für einen außenstehenden Beobachter unerreichbar. Ein einfallendes Objekt scheint direkt über dem Horizont einzufrieren oder "steckenzubleiben" und durch Rotverschiebung zu verschwinden. Nehmen wir also an, ich fange an, selbst in Richtung EH zu fallen: Wie kann ich meinen Außen-Beobachter-POV in einen Innen-Beobachter-POV ändern? Wann würde das passieren (auf meiner Uhr)?

Ich habe gehört, dass es anscheinend kein Experiment gibt, das ich durchführen könnte, um den Moment zu bestimmen, in dem ich den Horizont überquere. Aber der Übergang von außen nach innen muss sowieso passieren, ob mir das bewusst ist oder nicht – oder?

Eng verwandte Frage (so wie ich es verstehe, ist es das gleiche Problem wie oben, nur anders formuliert): Ich werfe etwas in Richtung BH. Ich sehe es näher kommen, näher kommen, langsamer werden, Rotverschiebung. Ich bewege mich auf das "eingefrorene Objekt" zu. Je näher ich komme, desto weiter entfernt scheint es sich zu entfernen – es ist mir unmöglich, es aufzufangen, selbst wenn ich mich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit bewege. Bedeutet das nicht, dass das EH selbst sich von mir zu entfernen scheint? Habe ich nicht unendlich viel Platz (und Zeit) zu durchqueren, um zum EH (oder dem Objekt, was das angeht) zu gelangen?

Antworten (2)

Nehmen wir also an, ich fange an, selbst in Richtung EH zu fallen: Wie kann ich meinen Außen-Beobachter-POV in einen Innen-Beobachter-POV ändern? Wann würde das passieren (auf meiner Uhr)?

Wenn Sie frei auf ein Schwarzes Loch zufallen, möchten Sie wirklich bessere Koordinaten verwenden, die Ihre Situation ausdrücken. Diese werden als Eddington-Finkelstein-Koordinaten bezeichnet. In diesen werden Sie in der Lage sein, eine richtige Zeit abzuleiten, um den Ereignishorizont zu überschreiten, und auch eine richtige Zeit, bevor Sie an der Singularität knirschen.

Je näher ich komme, desto weiter entfernt scheint es sich zu entfernen – es ist mir unmöglich, es aufzufangen, selbst wenn ich mich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit bewege. Bedeutet das nicht, dass das EH selbst sich von mir zu entfernen scheint? Habe ich nicht unendlich viel Platz (und Zeit) zu durchqueren, um zum EH (oder dem Objekt, was das angeht) zu gelangen?

Nehmen wir an, Sie sind eine Meile vom Ereignishorizont eines riesigen Schwarzen Lochs entfernt. In einer solchen Situation könnte es vorkommen, dass Gezeiteneffekte am Ereignishorizont vernachlässigbar sind, sodass Sie es nicht bemerken würden, wenn Sie ihn überqueren. Um dort zu bleiben, wo Sie sind, müssen Sie beschleunigen, weil das schwarze Loch Sie ziehen wird. Du lässt deinen Apfel aus deinem Griff fallen. Das Licht, das Sie vom Apfel ausgehen sehen, wird aufgrund Ihrer Beschleunigung rotverschoben. Sie sehen es nie den Ereignishorizont überschreiten, sondern verschwinden einfach aus dem Blickfeld.

Jetzt entscheiden Sie sich für den Sprung, dh Sie stellen Ihre Düsen ab. Sie fallen jetzt frei nach Ihrem Apfel - wechseln Sie zu EF-Koordinaten. Die Beschleunigung zwischen euch beiden ist ziemlich konstant, also bewegt ihr euch einfach hinter ihr her und folgt ihr in den Ereignishorizont. Die Rotverschiebung ist geringer. Sie haben Recht, dass Sie beschleunigen könnten, um es einzuholen, um es zu essen. Sie müssen sich nicht der Lichtgeschwindigkeit nähern, nur schnell genug.

Die Singularität mag zwar weit entfernt sein, aber Crunch-Time und Spaghettifizierung kommen!

Das ist nicht ganz richtig, denn egal wie groß das Schwarze Loch ist und egal wie nahe Sie am Ereignishorizont sind, die Dinge am Ereignishorizont bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit von Ihnen (in Ihrem Referenzrahmen) weg. Der Übergang am Ereignishorizont ist also nicht trivial.
@flippiefanus Ich bin mir nicht sicher, ob ich dich verstehe. Ich denke, es stimmt, dass wir den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs passieren könnten, ohne eine Veränderung zu spüren. Sie sagen, das ist falsch? Oder meinst du, wenn ich frei in ein Schwarzes Loch falle und mein Apfel kurz vor dem Eintreten aus meiner Hand fällt, wird er plötzlich mit Lichtgeschwindigkeit von mir wegsausen? Oder habe ich das total falsch verstanden?
Es ist mehr oder weniger die Aussage mit dem Apfel, aber die Aussage gilt speziell, wenn der Apfel den Ereignishorizont vor Ihnen erreicht. Es impliziert aus diesem Grund auch, dass man den Ereignishorizont nicht sozusagen „unbemerkt“ überschreiten kann.
@flippiefanus Entschuldigung, aber ich verstehe immer noch nicht. Auf welche Aussage beziehst du dich? Oder noch besser, was ist Ihre Version von Ereignissen? Nehmen wir an, ich habe meinen Apfel vor langer Zeit gegessen, also falle ich nur mit den Füßen voran hinein. Für ein supermassereiches Schwarzes Loch können die Gezeitenkräfte am Ereignishorizont vernachlässigbar sein. Wenn ich mich im freien Fall befinde und den Druck der Gezeiten nicht spüre, wie könnte ich dann sagen, dass ich den Ereignishorizont überquert habe? Würden mir plötzlich die Füße mit Lichtgeschwindigkeit abgerissen werden?
@Matta Ich denke, er meint, dass es in der flachen Raumzeit anscheinend eine Koordinaten-Singularität gibt und Sie sie durch Transformation in Eddington-Koordinate entfernen können, aber für einen weit entfernten Beobachter sollte die Singularität stehen. Übrigens, ich weiß nicht, ob Sie auseinandergerissen werden, wenn Sie zu nahe am Schwarzen Loch sind?
@Turgon Nur um das zu ergänzen, was Sie gesagt haben: Wenn ich eine Uhr an meinem Apfel befestige, sehe ich, wie die Uhr allmählich langsamer wird und die Apfeluhr nie ganz den Ereignishorizont erreicht, während ich beobachte, wie sie von weit draußen hereinfällt. Also, ja - es gibt meiner Meinung nach eine Koordinaten-Singularität am Ereignishorizont. Wenn ich anfange, meinen Apfel zu jagen, beginnt unsere relative Zeit mit einer ähnlichen Geschwindigkeit zu ticken. Die Banane, die ich zurückgelassen habe, würde uns beide langsamer werden lassen. Wenn mein Apfel nicht allzu weit weg ist, dann wird es irgendwann eine Zeit geben, in der unsere Zeiten mehr oder weniger synchron sind und ich es einholen kann.
@Turgon Als Antwort auf Ihre Frage: In der Nähe des Ereignishorizonts nähert sich die Fluchtgeschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit, beschleunigen Sie daher stark, wenn Sie entkommen möchten. Die Gezeitenkräfte können hier jedoch sehr gering sein. Das bedeutet, dass Sie nicht so gequetscht werden und Ihre Füße mit der gleichen Geschwindigkeit beschleunigen wie Ihr Kopf. Wenn Sie jedoch tiefer ins Innere vordringen, nimmt die Schwerkraft zu und es kommt zu einer Spaghettifizierung. Diese Situation gilt für ein großes Schwarzes Loch. Ein kleiner wird am Horizont hohe Gezeitenkräfte haben. Daher ist die Intuition, die Sie gegeben haben, sehr wahr, aber nur für die Kleinen.
Die Situation, die ich im Sinn habe, wird hier erklärt: physical.stackexchange.com/questions/282219/… .
@flippiefanus Ich denke, Sie haben verstanden, dass ein Objekt den Ereignishorizont immer mit Lichtgeschwindigkeit passiert. Sie haben jedoch übersehen, dass ein Objekt, das sich im freien Fall sehr nahe am Ereignishorizont befindet, sich ihm mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nähert. Nehmen wir an, ich gehe zuerst in die Füße. Ihre Aussage scheint zu sein: "Die relative Geschwindigkeit meiner Füße und meines Kopfes ist Lichtgeschwindigkeit", was falsch ist. Dies wäre jedoch der Fall, wenn mein Kopf nicht hinein wollte. Dies ist nicht überraschend, da dies eine enorme Beschleunigung meines Kopfes erfordern würde.
Entschuldigung, das ist nicht korrekt. Wenn sich mein Kopf nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und meine Füße sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, dann bewegen sich meine Füße im Bezugssystem meines Kopfes immer noch mit Lichtgeschwindigkeit. Das ist einfache spezielle Relativitätstheorie. Mein Kopf müsste also tatsächlich eine unendliche Beschleunigung erfahren, wenn er den Ereignishorizont erreicht.
@flippiefanus Hervorragender Punkt jedoch ... In SR bewegt sich alles, was sich bei c relativ zu einem Trägheitsbeobachter bewegt, bei c relativ zu allen Trägheitsbeobachtern. Wenn wir sagen, dass wir den Ereignishorizont bei c überqueren, meinen wir relativ zu dieser Raumzeitgrenze, die nicht als Trägheitsbeobachter behandelt werden kann. Sie argumentieren, dass ich Lorentz von einem "Horizont" -Trägheitsrahmen in einen "Kopf" -Trägheitsrahmen transformieren kann, was nicht der Fall ist. John Baez hat eine schöne Zusammenfassung
"Sie argumentieren, dass ich Lorentz von einem 'Horizont'-Inertialsystem in ein 'Kopf'-Inertialsystem transformieren kann, ..." Wenn das der Eindruck ist, den Sie bekommen haben, dann habe ich es versäumt, erfolgreich zu kommunizieren, weil ich das nicht gemeint habe. Der Referenzrahmen, den ich in Betracht ziehe, ist derjenige, der sich mit weniger als Lichtgeschwindigkeit bewegt (mein Kopf); nicht meine Füße, die den Ereignishorizont überschreiten und daher mit Lichtgeschwindigkeit reisen. Ich versuche auch nicht, das eine in das andere umzuwandeln. Ich sage nur, dass die Geschwindigkeit meiner Füße (am Ereignishorizont) von meinem Kopf aus gesehen die Lichtgeschwindigkeit ist.
@flippiefanus OK, wir sind fast am Schlüsselpunkt. Habe ich Recht, dass Sie so argumentieren?: „Im freien Fall nähert sich der Ereignishorizont meinen Füßen, so dass sie sich ihm, wenn sie unmittelbar daneben stehen, mit Lichtgeschwindigkeit nähern. Daher bewegen sich meine Füße relativ zum Ereignishorizont mit Lichtgeschwindigkeit. Daher bewegen sich meine Füße relativ zu allen Frames mit Lichtgeschwindigkeit, einschließlich des 'Kopf'-Frames.' Oder hast du eine andere Begründung?
Ja, das ist es mehr oder weniger, aber nicht sicher, warum man dies als "unmittelbar neben" im Gegensatz zu "am" Ereignishorizont angeben muss. Um des Arguments willen, warum können wir nicht die Situation (im Augenblick) betrachten, in der meine Füße den Ereignishorizont überqueren? Etwas, das sich am Ereignishorizont befindet, bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit (in jedem Bezugssystem). Etwas, das sich ihm immer noch nähert, bewegt sich mit weniger als Lichtgeschwindigkeit (in jedem Referenzrahmen). Rechts?
Ja, du hast recht, lassen Sie uns damit fortfahren. OK, können Sie mir den Fehler in der folgenden Argumentation nennen?: „Ich befinde mich im leeren Raum und ein Lichtstrahl rast mit Lichtgeschwindigkeit an meinen Füßen vorbei. Daher bewegen sich meine Füße relativ zum Lichtstrahl mit Lichtgeschwindigkeit. Daher bewegen sich meine Füße relativ zu allen Frames mit Lichtgeschwindigkeit.'
@filippiefanus deine Aussagen sind sehr irreführend. Der Ereignishorizont selbst ist eine Nullfläche, was bedeutet, dass sich der Ereignishorizont bei c in lokalen Trägheitskoordinaten bewegt. Das bedeutet nicht, dass sich irgendetwas am Ereignishorizont bei c bewegt. Wenn ein Objekt den Ereignishorizont überquert, befindet es sich am Ereignishorizont, aber es teilt nicht die Geschwindigkeit des Horizonts. Wenn ich mit den Füßen zuerst durch den Horizont falle, bewegen sich meine Füße nicht bei c relativ zu meinem Kopf, während meine Füße kreuzen.
@Matta sehr gute Antwort, und trotz der obigen gegenteiligen Kommentare richtig

(Haftungsausschluss: reiner Laie in Bezug auf die Relativitätstheorie - Einzelheiten sind wahrscheinlich viel komplizierter als meine Denkweise - hoffentlich macht dies jedoch Sinn)

In reality there are no strictly "insider" or "outsider" viewpoints - It is a continuum of different frames of reference depending what's your position or movement with regards to the infalling object.

Wie ich mir das mental vorstelle, sind „Hüllen“ um den Ereignishorizont herum mit unterschiedlichen Zeitgeschwindigkeiten. Wie man dann die Zeit für andere Objekte beobachtet (einfallen oder nicht), hängt nicht nur von ihrer Zeitdilatation ab, sondern auch von Ihrer. So nah am Ereignishorizont könnte die Zeit 10000-mal schneller laufen, aber wenn Sie sie von derselben Shell aus beobachten, würde das Vergehen der Zeit für dieses Objekt für Sie völlig normal aussehen (während Objekte, die von BH entfernt sind, scheinbar vorspulen und Objekte, die näher sind BH würde langsamer erscheinen). Ob man diese Faktoren einfach addieren/dividieren kann (wahrscheinlich nicht), ist nicht wirklich relevant für das Verständnis, wie es im Allgemeinen funktioniert.

Theoretisch wird also angenommen, dass sich der Außenstandpunkt im Unendlichen befindet, um jegliche Wirkung der BH auf diesen Beobachter zu negieren (insbesondere keine Zeitdilatation von der BH); In meiner Visualisierung ist diese Hülle unendlich weit entfernt und hat daher keinen Zeitdilatationsfaktor (dh sagen wir, die Zeit läuft mit 1-facher Geschwindigkeit); Offensichtlich würde es bedeuten, unendlich lange vom einfallenden Objekt entfernt zu sein, dass es unendlich lange dauert, bis das Licht den Beobachter erreicht, was in Wirklichkeit keine Beobachtungen bedeutet. Es ist also eher ein Gedankenexperiment als eine echte Versuchsanordnung.

Bearbeiten:

Um Ihre eigentliche Antwort zusammenzufassen: Wenn Sie auf ein Schwarzes Loch zufallen, werden Sie es immer aus der Sicht eines "Insiders" betrachten. Sie können andere Objekte sehen, die in ein Schwarzes Loch fallen, die näher am Schwarzen Loch sind, und Sie hätten eine Art Außenansicht für diese Objekte (dh relative Zeitdilatation). Solange Sie schließlich den Ereignishorizont überschreiten, sollten Sie theoretisch auch diese Objekte beobachten können, die den Ereignishorizont überschreiten. Wenn Sie sich jedoch irgendwie zurückziehen oder außerhalb des Ereignishorizonts schweben würden, würden Sie als äußerer Beobachter für diejenigen in fallenden Objekten bleiben (dh nie sehen, wie sie den Ereignishorizont überqueren; da die relative Zeitdilatation zwischen Ihnen und ihnen asymptotisch zuwächst Unendlichkeit)

Sturz in ein schwarzes Loch – wie kann sich meine Perspektive vom Außenbeobachter zum Innenbeobachter ändern?
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