Wenn Sie sich an die allgemeine Relativitätstheorie halten, ist es ziemlich einfach, was mit der Materie passiert. Wenn die Materie nach innen fällt, erfährt sie zunehmende Gezeitenkräfte. Die Materie erreicht die Singularität in einer endlichen (kurzen!) Zeit, und an der Singularität wird sie zu einem Punkt mit Nullgröße und unendlicher Dichte komprimiert. Beachten Sie, dass nichts Besonderes erfahren wird, wenn die Materie den Ereignishorizont überschreitet.

Aber wir erwarten, dass die Quantenmechanik beeinflusst, was passiert. Bis vor kurzem (mehr dazu unten) wurde erwartet, dass die Quantenmechanik erst dann wichtig wird, wenn sich die Materie der Singularität nähert, und insbesondere wenn die Materie auf eine Größe komprimiert wurde, die sich der Planck- Länge annähert . Was genau auf solch kleinen Längenskalen passiert, wissen wir nicht, weil wir keine Theorie der Quantengravitation haben.

Die Idee, Materie auf unendliche Dichte zu komprimieren, mag absurd erscheinen, hat aber eine solide theoretische Grundlage. Im Alltag wird Materie durch elektrostatische Kräfte in Form gehalten, aber bei den Drücken in Schwarzen Löchern sind diese Kräfte nicht stark genug, um die Materie in Form zu halten, und sie kollabiert, um entartete Materie zu bilden. Aber selbst die Kräfte in entarteter Materie sind nicht stark genug, um ein Schwarzes Loch zu überleben, und die Materie wird weiter kollabieren. An diesem Punkt kennen wir keine anderen Kräfte, die einem weiteren Kollaps widerstehen können. Wenn also die entartete Materie kollabiert, gibt es keine bekannte Kraft, die sie daran hindern könnte, vollständig zu einem Punkt unendlicher Dichte zu kollabieren. Da wir jedoch keine solchen Kräfte kennen, heißt das nicht unbedingt, dass sie nicht existieren, und eine zukünftige Theorie der Quantengravitation wird voraussichtlich neue Effekte einführen, die dem Kollaps widerstehen werden.

Ich sagte oben, dass bis vor kurzem erwartet wurde, dass die Quantenmechanik erst dann wichtig wird, wenn sich die Materie der Singularität nähert. In den letzten Jahren haben Berechnungen im Zusammenhang mit der Stringtheorie gezeigt, dass das Schwarze Loch ein noch seltsameres Objekt sein könnte, als wir dachten. Dies ist als Firewall-Theorie bekannt und legt nahe, dass die Raumzeit am Ereignishorizont enden könnte, sodass das Schwarze Loch kein Inneres hat . Beachten Sie jedoch, dass dies derzeit eine spekulative Idee ist und möglicherweise keine Grundlage in der Realität hat.

Hier ist eine Antwort von einem Laien, der sich bis zum Ende einigermaßen wohl fühlt und nicht weiter mit "The Big Black Book" (Misner Thorne und Wheeler) und mit einer anderen allgemeinen Laienlektüre als dieser.

Obwohl von Physikern oft gestellt und viel darüber nachgedacht, ist Ihre Frage hervorragend, weil sie über nur ziemlich elementare Konzepte direkt an den Rand unseres Wissens über Physik führt: zu Ideen wie dem Informationsparadox des Schwarzen Lochs und zur Groteske und morbide Beschreibungen der schrecklichen Verrücktheit jedes unglücklichen Raumfahrers, der zufällig das fallengelassene Objekt ist: Spaghettifizierung .

In den letzten Jahren haben einige Wissenschaftler vorgeschlagen, dass alles, was in ein Schwarzes Loch fällt, am oder in der Nähe des Ereignishorizonts in einem Phänomen verbrannt wird, das als Black Hole Firewall bekannt ist . Dies ist keineswegs Mainstream oder sogar weithin akzeptiert: Es wird postuliert, dass es dabei hilft, das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs zu lösen, über das ich unten spreche. Aber von hier an werde ich diskutieren, was bis etwa 2012 eine ziemlich allgemeine Darstellung dessen war, was wahrscheinlich passieren wird, wenn etwas in ein Schwarzes Loch fällt. Es ist ein hauptsächlich klassisches Verständnis der Allgemeinen Relativitätstheorie (vor dem ich Sie bereits gewarnt habe). ist meine Grenze).

Dinge „von außen“ betrachten

Robs Antwort ist eine ausgezeichnete physikalische und philosophische Zusammenfassung der Geschichte eines Objekts, das in ein schwarzes Loch gefallen ist (nennen wir es$\mathscr{D}$für "fallen gelassen" oder "zum Scheitern verurteilt"), wie es von einem Beobachter aus gesehen wird$\mathscr{O}$weit weg (theoretisch unendlich weit vom Loch entfernt). Vom Beobachter$\mathscr{O}$Standpunkt, die beste mathematische Beschreibung des fallenden Objekts$\mathscr{D}$wird durch die Schwarzschild-Geometrie , definiert durch die Schwarzschild-Metrik (erste Fundamentalform), die eine kugelsymmetrische Lösung für den metrischen Tensor im Raum um einen Massenpunkt zu den Einstein-Feldgleichungen ist und die von Karl Schwarzschild 1916 hergeleitet wurde, während er wurde auf den Schlachtfeldern des Ersten Weltkriegs beschossen (was für ein Typ!; Ich habe übrigens Folgendes aus Wikipedia geklaut, um Zeit beim Setzen zu sparen):

$$c^2 {d \tau}^{2} = \left(1 - \frac{r_s}{r} \right) c^2 dt^2 - \left(1-\frac{r_s}{r}\right)^{-1} dr^2 - r^2 \left(d\theta^2 + \sin^2\theta \, d\varphi^2\right)\tag{1}$$

Wo:

$\tau$ist die eigentliche (Zeit, die von einer Uhr gemessen wird, die sich entlang derselben Weltlinie wie das Testteilchen bewegt),

$c$ist die Lichtgeschwindigkeit,

$t$ist die Zeitkoordinate (gemessen von einer stationären Uhr, die unendlich weit vom massiven Körper entfernt ist),

$r$ist die radiale Koordinate (gemessen als Umfang, dividiert durch$2\pi$, einer Kugel, die um den massiven Körper zentriert ist),

$θ$ist die Kolatitude (Winkel von Norden, in Einheiten von Radianten),

$φ$ist der Längengrad (auch im Bogenmaß) und

$r_s$ist der Schwarzschild-Radius des massiven Körpers, ein Skalenfaktor, der mit seiner Masse zusammenhängt$M$von$r_s=2 G M/c^2$, Wo$G$ist die Gravitationskonstante.

So${\rm d}\tau$hier steht für ein kurzes Zeitintervall, gemessen von einer Uhr, die mit unserem Doomed Observer mitgeführt wird$D$Und${\rm d} t$ist das entsprechende Zeitintervall, gemessen von einer Uhr. Achte auf zwei Dinge:

1. Die sorgfältige Formulierung$r$ist der Umfang einer Kugel, deren Mittelpunkt der Körper ist, geteilt durch$2 \pi$: Aufgrund der nichteuklidischen Natur allgemeiner Lösungen der Einstein-Feldgleichungen ( dh die Geometrie erfüllt nicht das Postulat der Euklidischen Parallele), ist diese Größe NICHT mit dem "Radius" der Kugel identisch;
2. Wenn$\mathscr{D}$nähert sich dem Schwarzschild-Horizont (oder Event-Horizont)$r=r_s$, beachten Sie, wie der Koeffizient von$d t^2$verschwindet. Dies ist die Beschreibung des in Robs Antwort zitierten Phänomens ; das heißt von$\mathscr{O}$'s Standpunkt, das dem Untergang geweihte Objekt$\mathscr{D}$braucht eine unendliche Zeit, um den Horizont zu erreichen. Rob macht einen sehr guten Punkt: Wir (als Beobachter$\mathscr{O}$) kann niemals sehen, dass das Objekt den Ereignishorizont überschreitet, daher gibt es keine Möglichkeit, ein Modell zu testen, was mit irgendetwas im Inneren passiert. Von unserer ($\mathscr{O}$Aus seiner Sicht sind Theorien darüber, was im Inneren vor sich geht, nicht wirklich Wissenschaft, wenn wir Poppers Falsifizierbarkeitskriterium davon akzeptieren, was Wissenschaft ist.

Die Dinge aus der Sicht des zum Scheitern verurteilten Objekts betrachten: Crossing The Horizon

Allerdings gibt es einen Beobachter, für den eine solche Theorie im Prinzip falsifizierbar wäre, und das ist unser unglücklicher Freund$\mathscr{D}$. Also (wenn es keine Black Hole Firewall gibt ) können wir einige gute Vermutungen anstellen, was passiert (von$\mathscr{D}$'s Standpunkt) gleich danach$\mathscr{D}$den Horizont überquert, zumindest für kurze Zeit danach. Vor allem, wenn das Schwarze Loch sehr, sehr groß ist, wie die, von denen Astronomen jetzt glauben, dass sie in den Zentren der meisten Galaxien liegen. Was ist mit der Singularität bei$r=r_s$in der Schwarzschild-Geometrie höre ich Sie fragen? Nun, eigentlich ist das ein "Artefakt" der Koordinaten: physikalisch gesehen ist es ein Artefakt, das uns dazu zwingt, das Schwarze Loch von außerhalb zu beobachten . Es gibt Koordinatensysteme, die diese Horizont-Singularität vertreiben. Ich komme gleich zu einem Beispiel für diese Koordinaten, aber der Hauptpunkt ist, dass sie geschrieben wurden, um Dinge zu verstehen$\mathscr{D}$s Standpunkt. Von dem$\mathscr{D}$'s Standpunkt, was passiert, wenn sie den Horizont überqueren?. Kurze Antwort: (abgesehen von Firewalls) zunächst wahrscheinlich gar nicht viel, besonders wenn das Schwarze Loch sehr groß ist. Wenn das Schwarze Loch groß genug ist, werden Regionen viel größer als die Größe von$\mathscr{D}$'s Raumschiff sind ungefähr "flach", dh genau wie die Raumzeit um dich und mich herum. Die „Schwerkraft“ an dieser Stelle ist nicht besonders „stark“ (ich werde diesen Punkt auch gleich präzisieren) und$\mathscr{D}$dreys seine schreckliche Verrücktheit später. Und als Geometer weigere ich mich zu glauben, dass, solange die Raumzeit in solchen Regionen auf eine Weise kartiert werden kann, die die Einstein-Feldgleichungen erfüllt, es eine vernünftige Ahnung ist, dass sie sie beschreiben$\mathscr{D}$'s körperliche Erfahrung, zumindest bis$\mathscr{D}$kommt der Singularität zu nahe. Viele Physiker werden mir hier zustimmen, aber ich und die meisten Physiker glauben auch, dass Einsteins Theorie so zusammenbricht$\mathscr{D}$nähert sich der Singularität: wenn die "Schwerkraft viel stärker wird" (wieder werde ich dies weiter unten deutlicher machen). Aber es würde ein bisschen seltsam erscheinen, wenn der Zusammenbruch an einigen Stellen "plötzlich" wäre (von$\mathscr{D}$Standpunkt) willkürlicher Horizont.

Nun also zu den Koordinaten. Man kann tatsächlich die Koordinaten in (1) transformieren (oder, genauer gesagt, zu einem anderen Diagramm für die Raumzeit-Mannigfaltigkeit wechseln), um die Singularität bei zu entfernen$r=r_s$. Es gibt mehrere Koordinatensysteme, die dies tun: Eines der nützlichsten ist das Kruskal-Szekeres-Koordinatensystem. Dies erweitert die Kartierung der Schwarzschild-Geometrie maximal, dh sie kartiert die gesamte Raumzeit abgesehen von der Singularität. Sie müssen sie nachschlagen, da es mir ein bisschen langweilig ist, die Gleichungen anderer Leute auszuschneiden und einzufügen, aber hier ist das hervorragendste Kruskal-Szekeres-Diagramm, das ich wiederum von Wikipedia geklaut habe (der es von Misner Thorne und Wheeler geklaut hat) und für unsere Zwecke gekennzeichnet:

Die Kruskal-Szekeres-Koordinaten führen eine nichtlineare Transformation auf dem Radial durch$r$und Beobachter$\mathscr{O}$Zeit$t$Koordinaten (mal sehen, ob meine Transformation von Planck in SI-Einheiten korrekt ist):

um zwei neue Koordinaten zu geben$U$Und$V$. Machen Sie sich nicht zu viele Gedanken über die Details; auf diese qualitativen eigenschaften kommt es an:

1. Jeder Punkt auf dem Diagramm entspricht einer ganzen zweidimensionalen sphärischen Oberfläche, die zu irgendeinem Zeitpunkt konzentrisch mit der Singularität ist$t$gemessen an$\mathscr{O}$;
2. Der Ereignishorizont besteht aus zwei roten geraden Linien$U=\pm V$;
3. Die Singularität ist die oberste grüne Hyperbel;
4. Konturen konstant$\mathscr{O}$-Zeit$t$sind die gestrichelten Geraden durch den Ursprung;
5. Konturen konstanter Schwarzschild-Radialkoordinate$r$sind die gestrichelten Hyperbeln;
6. Alle Nulllinien (Weltlinien oder gültige Geschichten von Lichtstrahlen oder, wenn Sie so wollen, Photonen) sind gerade Linien$\pm 45^o$mit der Vertikalen (Horizontal). Lichtkegel im KS-Diagramm sehen daher genauso aus wie Lichtkegel in der speziellen Relativitätstheorie .

Eine leichte Peinlichkeit besteht insofern, als dass auf dem einen Diagramm zwei Universen dargestellt sind: Das schwarze Loch außen und innen liegen über der Diagonale$U=-V$, alles andere ist ein entsprechendes "weißes Loch" und sein Inneres und Äußeres.

Lassen Sie den letzten Kommentar (5) ein wenig wirken. Das bedeutet, dass wir das KS-Diagramm wirklich verwenden können, um eine Intuition darüber aufzubauen$\mathscr{D}$'s mögliche Geschichten. Ich habe unseren dem Untergang geweihten Raumfahrer gezeichnet$\mathscr{D}$als gelber Punkt, und ihr zukünftiger Lichtkegel ist der obere Bereich, der von den beiden orangefarbenen Linien begrenzt wird. Sie können das also auf einen Blick sehen$\mathscr{D}$ist dazu verdammt, die Singularität irgendwann in ihrer Zukunft zu treffen, egal was sie tun mögen (denken Sie daran, dass die Sigularität asymptotisch zu den Linien ist$U=\pm V$, so dass die beiden orangefarbenen Linien es immer schneiden, egal an welchem ​​​​Punkt innerhalb des Schwarzen Lochs das ist$\mathscr{D}$kann drinnen sein.

Eine zweite Sache, die aus dem KS-Diagramm offensichtlich ist, ist, dass ihr früherer Lichtkegel (der Teil der unteren Region, der von den orangefarbenen Strahlen begrenzt wird und sich auch in „unserem Universum“ befindet) keine Konstante vollständig enthalten kann$\mathscr{O}$Zeit$t$Abschnitt unseres Universums. Es gibt einen Teil unseres Universums, der durch definiert wird$t=t_0$für alle endlich$t_0$außerhalb des Lichtkegels, für alle gestrichelten Linien (Konstante$t$Konturen) schneiden irgendwo die vergangene Lichtkegelkante. Das sagt uns das$\mathscr{D}$ sieht das Ende des Universums nicht, als sie durch den Horizont fallen, obwohl, ab$\mathscr{O}$Aus der Sicht des Herstellers brauchen sie dafür unendlich viel Zeit.

Eine dritte bemerkenswerte Sache ist eine elegante Beschreibung des Phänomens, das von Rob's Answer zitiert wird . Erleben Sie, dass Weltlinien (Geschichten) eines "stationären" Beobachters (jemand, der in einem bestimmten Radius schwebt$r>r_s$außerhalb des Schwarzen Lochs) ist eine Hyperbel (gestrichelte Kurve) auf dem Diagramm, die asymptotisch zum Ereignishorizont verläuft, ihn aber nie kreuzt. Der$\mathscr{O}$Zeit$t$Ist$\frac{2\,r_s}{c} \operatorname{arctanh}\left(\frac{V}{U}\right)$und wird unendlich als$U\to V$.

Unser unglücklicher Raumfahrer hat, abgesehen von einigen interessanten optischen Effekten, wenn er über die Schulter schaut, noch nicht viel bemerkt.

Die Dinge vom Standpunkt des zum Scheitern verurteilten Objekts betrachten: Spaghettification

Das wird sich irgendwann ändern. Denken Sie an alle Punkte in$\mathscr{D}$'s Körper getrennt. Sie fallen zunächst frei, folgen also der Raumzeit-Geodäte. Sie können dies tun, weil sie irgendwann nach dem Überqueren des Horizonts zu einem gegebenen Zeitpunkt$\tau$(aus$\mathscr{D}$'s Standpunkt) sind die Punkte auf jeder Geodäte ziemlich genau dort, wo sie sich normalerweise im frei fallenden Körper befinden würden. Eine Region, in der die spezielle Relativitätstheorie gilt, ist viel größer als$\mathscr{D}$und ihr Raumschiff.

Allerdings wird die "Schwerkraft stärker" und$\mathscr{D}$nähert sich der Singularität schließlich eine Region um sich herum$\mathscr{D}$klein genug für die spezielle Relativitätstheorie wird kleiner als$\mathscr{D}$er oder sich. Das bedeutet, dass für verschiedene Teile ihres Körpers die Raumzeit-Geodäiken stärker divergieren als der Abstand zwischen den unbelasteten Teilen$\mathscr{D}$'s Körper.$\mathscr{D}$Die Zug- und Druckfestigkeit des Körpers widersetzt sich zunächst dieser Tendenz, und die Punkte weichen von ihrer Geodäte ab, weil sie durch Knochen und Sehnen und Fleisch dazu gezwungen werden. Genauso wie die Erde mit einer Kraft, die Sie "Ihr Gewicht" nennen, nach oben drücken muss, um Sie aufrecht zu halten und Sie davon abzuhalten, folgenden Raumzeit-Geodäten zu folgen (was dazu führen würde, dass Sie bei Beschleunigung in Richtung Erdmittelpunkt fallen$g$relativ zur Erdoberfläche), so auch die Verbindungsmechanismen$\mathscr{D}$'s Körper verhindern zunächst , dass verschiedene Bits ihren sich momentan mitbewegenden Rahmen im freien Fall folgen . Als$\mathscr{D}$'s Bein "will" einer bestimmten Geodäte folgen, und$\mathscr{D}$'s Torso ein immer mehr nicht paralleler, der Zug / Druck (je nach$\mathscr{D}$'s Orientierung) wird der Stress zwischen den beiden immer größer. Ich denke, man sieht, wohin das führt. Bevor die Feuerwand des Schwarzen Lochs diskutiert wurde, dachten viele, wenn nicht die meisten Physiker, dass GTR lange genug gut halten würde, um eine Szene mit so viel Blut zu beschreiben, wie selbst Alfred Hitchcock schlucken könnte. Der Körper des Raumfahrers wird schließlich auseinandergerissen, entlang radialer Linien gezogen und in der orthogonalen Richtung gequetscht. Dieses groteske und grausame Schicksal nennt man „Spaghettifizierung“ . Das folgende Diagramm aus dem Wiki- Artikel "Spaghettifizierung" ist wahrscheinlich besser als meine Worte.

Die Grenzen der GTR und das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs

OK, wir haben eine Geschichte erzählt, um Alfred Hitchcocks Blutdurst zu stillen, und unser glückloser Raumfahrer ist tot, aber was ist das letztendliche Schicksal der Materie ihres Körpers? Hier stoßen wir an die Grenze unseres physikalischen Wissens. Viele Physiker, insbesondere solche wie ich, die nur über klassisches GTR-Wissen verfügen, werden Ihnen sagen, dass GTR außerhalb eines kleinen Bereichs in der Nähe der grünen Hyperbel im KS-Diagramm gilt, dass GTR jedoch irgendwie zusammenbrechen und durch etwas ersetzt werden muss, das es vollständig macht kompatibel mit der Quantenmechanik.

Letztendlich wird angenommen, dass ein Schwarzes Loch in Hawking-Strahlung verdampft, und die Frage, wie der Informationsgehalt dessen, was in ein Schwarzes Loch hineingeht und was herauskommt, und sogar, ob dieser Informationsgehalt derselbe ist, ist der Inhalt dieser Diskussion und einiger Zukunft Die Theorie der Quantengravitation versucht, diese Fragen zu beantworten. Viele Physiker glauben, dass Informationen konserviert werden, dhdie Abbildung zwischen dem Quantenzustand der Welt zu jeder Zeit und dem zu jeder anderen Zeit ist eine Eins-zu-Eins-Abbildung und reversibel. Das heißt im Prinzip, wenn Sie den vollständigen Quantenzustand der Welt zu jeder Zeit kennen, können Sie vorhersagen, wie er zu jedem anderen Zeitpunkt sein wird, und Sie können auch sagen, aus welchem ​​Zustand er zu irgendeinem früheren Zeitpunkt kam. „Die Natur vergisst nicht, wie sie zu ihrem Zustand gekommen ist“ ist eine umgangssprachliche Art dies zu sagen. Einige Physiker (obwohl ich denke, es ist fair zu sagen, dass es noch eine Minderheit ist) glauben jedoch, dass dieses Prinzip verletzt werden könnte, wenn ein Schwarzes Loch Materie verschluckt und verdampft. Jetzt bin ich wahrscheinlich genauso überfordert wie Sie, daher würde ich vorschlagen, die Wiki-Seite zum Black Hole Information Paradox für weitere Details zu lesen.

Wenn der Ereignishorizont wirklich eine Einbahnstraße ist, lautet die Antwort, dass alles, was innerhalb des Ereignishorizonts passiert, für unser Universum irrelevant ist. Ein Objekt, das den Ereignishorizont überschreitet, scheint für einen außenstehenden Beobachter unendlich viel Zeit zu brauchen, und kein Modell des Inneren eines Schwarzen Lochs kann jemals getestet werden.

Ob der Ereignishorizont wirklich eine Einbahnstraße ist, ist eine offene Frage, die viel diskutiert wurde, normalerweise in dem Zusammenhang, dass Vorhersagen darüber, was innerhalb des Ereignishorizonts passiert, nicht sehr sinnvoll sind.