Warum sind Schwarze Löcher etwas Besonderes?

Sie haben einen leicht verstümmelten Bericht über die Physik innerhalb eines Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs gehört, aber was Sie gehört haben, ist nicht so weit von der Wahrheit entfernt.

Die Physik von (stationären) Schwarzen Löchern wird durch die Schwarzschild-Metrik beschrieben , obwohl Sie dies etwas undurchsichtig finden werden, es sei denn, Sie sind ein GR-Nerd. Ich werde versuchen zu beschreiben, was in alltäglichen Begriffen vor sich geht, aber Sie müssen bedenken, dass dies nur eine Analogie ist und Sie kein vollständiges Verständnis erlangen können, wenn Sie nicht bereit sind, die notwendige Mathematik zu lernen.

Um Ihre zweite Frage zuerst zu beantworten, Sie haben Recht, dass am Ereignishorizont die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit ist. Weitere Informationen dazu und zu dieser etwas komplizierteren Frage finden Sie in dieser Fragedenn genau deshalb kann dem Ereignishorizont nichts entkommen. Sobald Sie sich innerhalb des Ereignishorizonts bewegen, kann sich sogar Licht nicht schnell genug bewegen, um nicht in die Singularität im Zentrum des Schwarzen Lochs gezogen zu werden, und da sich nichts schneller bewegen kann als Licht, bedeutet dies, dass alles und alles, was den Ereignishorizont passiert, enden muss im Zentrum des Schwarzen Lochs. Deshalb erhalten wir einen Punkt unendlicher Dichte. Die Dichte kann nur dann endlich sein, wenn alles, was durch den Ereignishorizont gefallen ist, eine Entfernung ungleich Null vom Zentrum entfernt ist. Aber nichts kann eine endliche Distanz vom Zentrum entfernt bleiben, also muss alles genau im Zentrum enden, dh wir haben eine unendliche Dichte.

Um nun auf Ihre erste Frage zurückzukommen, dh ob die Raumzeit innerhalb des Schwarzen Lochs aufhört zu existieren, hört die Raumzeit nicht auf innerhalb des Ereignishorizonts zu existieren, aber es gibt einen Sinn, in dem sie an der Singularität im Zentrum aufhört zu existieren. Wenn Sie ein Objekt haben, das durch die Raumzeit reist, z. B. einen Apfel, der auf Newtons Kopf fällt, dann können wir einfache Physik verwenden, um vorherzusagen, wie sich der Apfel bewegt. Das heißt, wenn wir wissen, wo es sich gerade befindet$t$Wir können zu einem späteren Zeitpunkt sagen, wo es sein wird$t + \delta t$für einen kleinen Zeitschritt$\delta t$. Wenn der Apfel jedoch in ein Schwarzes Loch fällt, können wir seine Flugbahn bis zu dem Punkt berechnen, an dem er die Singularität im Zentrum des Schwarzen Lochs erreicht, aber es ist unmöglich, seine Bewegung in Raum oder Zeit über diesen Punkt hinaus zu berechnen. Es ist, als würden sowohl Raum als auch Zeit an der Singularität anhalten. Das ist wahrscheinlich der Grund, warum Sie gehört haben, dass die Raumzeit dort aufhört zu existieren. Der Fachbegriff ist geodätische Unvollständigkeit : Die Geodäte ist einfach die Flugbahn in der Raumzeit, die vom fallenden Apfel nachgezeichnet wird.

Übrigens glauben nur wenige von uns wirklich, dass die Dichte an der Singularität unendlich wird und die Geodäte des Apfels dort endet. Die meisten von uns denken, dass irgendeine Form der Quantengravitation die Singularität verwischen und alles endlich halten wird. Allerdings weiß im Moment niemand, wie sich diese Theorie der Quantengravitation entwickeln wird.

Zunächst möchte ich mit dem Titel klarstellen. Wie es scheinen mag, aber Schwarze Löcher sind überhaupt nicht "besonders". Sie ziehen die Masse nur wegen ihrer starken Krümmung der Raumzeit an. Betrachten wir ein Schwarzschild-Schwarzloch.

... die Masse groß genug ist, dass Licht nicht in einem Radius über der Oberfläche der Masse entweichen kann?

Ja. Die Masse$m$wird stark auf den Radius gestaucht$r_s=\frac{2Gm}{c^2}$was zu implizieren scheint, dass Licht aus dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs entweichen kann. Es geht einfach nicht. Denn der Ereignishorizont ist die Grenze der Raumzeit, in die Materie und Strahlung nur hineinfallen können. Es gibt kein Herauskommen. Die Lichtphotonen können immer noch einen Weg sehr nahe am Ereignishorizont verfolgen. Aber das Licht, das am Horizont schwebt (immer dort schwebt und daher den Betrachter nicht erreichen kann) oder das in den Horizont gefallen ist, kommt nicht heraus. Mit anderen Worten, die Wege der Raumzeit innerhalb des Horizonts krümmen sich immer nach innen, und das Licht wandert einfach entlang der Geodätischen und erreicht schließlich die Singularität ( soweit wir denken können ).

... innerhalb des Ereignishorizonts hört die Raumzeit auf zu existieren

Das ist ziemlich unwahr. Raumzeit ist überall. Oder es wird angenommen, dass es überall verbreitet ist, damit wir etwas über die Ereignisse lernen können, die in Raum und Zeit stattfinden. Wir können uns noch vorstellen, wie die Raumzeitbahnen innerhalb des Ereignishorizonts verlaufen würden und wie sich die Lichtkegel innerhalb des Horizonts verhalten würden . Aber in diesem Satz ist etwas Wahres (dh) Raumzeit hört an der Singularität auf zu existieren, wo alle physikalischen Gesetze zusammenbrechen würden.

... Lichtgeschwindigkeit so besonders im Vergleich zu anderen Geschwindigkeiten?

Das wäre eine Frage an SR. Genauer gesagt zu seinem zweiten Postulat. Übrigens ist die Lichtgeschwindigkeit nur konstant, wenn sie lokal gemessen wird. In GR, besonders wenn Sie in schwarze Löcher fallen (als produktiver Physiker), können Sie beweisen$c$eine Variable zu sein unter der Annahme, dass Sie nicht zerquetscht haben ...

Ich würde sagen, eine andere große Sache, die ein Schwarzes Loch "besonders" macht, ist, dass es möglicherweise* gegen das Gesetz der Energieerhaltung verstößt, das besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden darf.

*Hawking-Strahlung bezieht sich auf die kleinen Mengen an Wärmestrahlung, die von einem Schwarzen Loch ausgesendet wird. Da der Ereignishorizont als „Punkt ohne Wiederkehr“ definiert ist, woher genau kommt diese Wärmestrahlung?