Wie verhält sich Licht im Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs?

Eines der Probleme bei der Beschreibung einer Situation in der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Wahl eines geeigneten Satzes von Koordinaten. Weit entfernt vom Schwarzen Loch verwenden wir die Schwarzschild-Koordinaten $t$und$r$(Wir ignorieren die Winkelkoordinaten). Dies sind nur die radiale Entfernung, die mit Ihren Linealen gemessen wird, und die auf Ihrer Uhr gemessene Zeit, sodass sie eine schöne einfache Interpretation haben. Das Problem ist, dass sich die Zeit um einen Faktor verlängert, wenn Sie sich dem Ereignishorizont nähern:

und am Ereignishorizont, wo$r = 2M$, geht dieser Faktor gegen Null. Das bedeutet, dass die Zeit am Ereignishorizont verlangsamt wird, und es ist die Quelle der allgemeinen Behauptung, dass nichts jemals den Ereignishorizont überschreiten kann .

Offensichtlich werden wir Schwierigkeiten haben, zu beschreiben, was mit dem Licht einer Fackel innerhalb des Ereignishorizonts passiert, wenn es unendlich lange dauert, bis die Fackel den Ereignishorizont überhaupt erreicht, geschweige denn überquert. Also müssen wir nach einem besseren Koordinatensystem suchen. Wir könnten versuchen, das Koordinatensystem des hineinfallenden Astronauten zu verwenden. Das Problem dabei ist, dass die Raumzeit für jeden frei fallenden Beobachter lokal flach ist, sodass der Astronaut (wenn man die Gezeitenkräfte ignoriert) denkt, dass er im flachen Raum bewegungslos ist. Wenn sie die Taschenlampe einschalten, geht das Licht einfach aus$c$wie gewöhnlich.

Außerhalb des Ereignishorizonts können wir Schalenbeobachter verwenden, dh Beobachter, die in einem bestimmten Abstand vom Horizont schweben. Das Problem ist, dass es innerhalb des Ereignishorizonts unmöglich ist, fest zu schweben$r$, also können wir auch keine Shell-Koordinaten verwenden.

Was also tun? Nun, in solchen Fällen müssen wir einen Satz von Koordinaten wählen, die nicht direkt mit etwas übereinstimmen, was ein Beobachter sieht. Dies erlaubt uns zu beschreiben, was innerhalb des Horizonts passiert, aber auf Kosten der Einfachheit. Insbesondere wird es schwierig, die Beschreibung mit unserem intuitiven Gefühl für das, was passiert, in Einklang zu bringen. Das ist leider ein Preis, den wir zahlen müssen.

Die besten Koordinaten sind die Kruskal-Szekeres-Koordinaten $u$und$v$weil sie die kausale Struktur sofort offensichtlich machen. Diese sind jedoch für den Laien unerschwinglich kompliziert. Die Koordinate$u$ist raumartig , aber nicht einfach radialer Abstand, während die Koordinate$v$ist zeitähnlich , aber nicht einfach Zeit. Daher werde ich die KS-Koordinaten nicht verwenden, um diese Frage zu beantworten. Wenn Sie sich jedoch mutig fühlen, werfen Sie einen Blick auf meine Antworten auf Wäre das Innere eines Schwarzen Lochs wie ein riesiger Spiegel? und Wenn Sie beim Fallen Selfies machen, könnten Sie einen Horizont bemerken, bevor Sie auf eine Singularität treffen? wo ich die KS-Koordinaten verwende, um verwandte Fragen zu beantworten.

In diesem Fall werde ich die Gullstrand-Painlevé-Koordinaten verwenden . manchmal bekannt als Niederschlagskoordinaten oder Flussmodell . In diesen Koordinaten$r$ist der gleiche radiale Abstand wie in den Schwarzschild-Koordinaten, also ist das leicht zu verstehen. Allerdings die Zeitkoordinate$t_r$ist die Zeit, die von einer Uhr gemessen wird, die von einem frei fallenden Beobachter getragen wird, und wegen der oben erwähnten Zeitdilatation ist dies nicht dieselbe wie die Zeit, die der Schwarzschild-Beobachter weit entfernt vom Ereignishorizont aufgezeichnet hat. Denken Sie daran, wenn Sie über das Folgende nachdenken.

Ich habe bereits die GP-Koordinaten verwendet, um die Lichtgeschwindigkeit auf dem Weg zum oder vom Schwarzen Loch in meiner Antwort auf Warum ist ein Schwarzes Loch schwarz? . Das Ergebnis ist:

bei dem die$+$gibt die Geschwindigkeit eines ausgehenden Strahls an und die$-$gibt die Geschwindigkeit eines einfallenden Strahls an. Beachten Sie, dass dies geometrische Einheiten wo verwendet$c = 1$. In diesen Einheiten liegt der Ereignishorizont$r_s = 2GM$. Verwenden wir Gleichung (1), um die Geschwindigkeit eines ausgehenden Lichtstrahls am Ereignishorizont zu berechnen$r = 2M$wir bekommen:

und wir stellen fest, dass am Ereignishorizont ein Lichtstrahl nicht herausstrahlt, aufhört und zurückfällt. Stattdessen ist seine Geschwindigkeit Null, so dass es bewegungslos fixiert ist und nirgendwo hingeht. Innerhalb des Ereignishorizonts, wo$r < 2M$, die Geschwindigkeit eines ausgehenden Strahls ist negativ. Innerhalb des Horizonts bewegt sich also sogar ein nach außen gerichteter Lichtstrahl tatsächlich nach innen und nicht nach außen . Das ist das Schlüsselergebnis, das wir brauchen, um die Frage zu beantworten.

Zugegeben, wir verwenden eine ungerade Zeitkoordinate, aber die$r$Koordinate ist unsere gute alte Schwarzschild-Koordinate. Während wir uns also über den genauen Wert der berechneten Geschwindigkeit streiten können, ist das Vorzeichen eindeutig. Das heißt, wenn unser fallender Astronaut mit seiner Fackel nach außen leuchtet, bewegt sich das Licht nicht heraus, bleibt stehen und fällt wieder zurück. Das Licht bewegt sich von dem Moment an, in dem es die Fackel verlässt, nach innen. Der Astronaut sieht, dass sich das Licht entfernt, weil der Astronaut noch schneller nach innen fällt als das Licht.

Ein Kommentar fragt, ob dies bedeutet, dass sich der Astronaut schneller als das Licht bewegt, und ja, das tut er. Dies sollte Sie jedoch nicht überraschen, da in GR nur die lokale Lichtgeschwindigkeit konstant ist$c$. An entfernten Orten kann sich Licht schneller oder langsamer bewegen als$c$(obwohl wir nie beobachten werden, dass es sich schneller bewegt, da ein Horizont im Weg ist). Zum Beispiel ist bekannt (oder sollte es sein!), dass sich ausreichend weit entfernte Galaxien schneller bewegen als das Licht .

Es gibt noch ein letztes loses Ende zu binden. Ich habe oben behauptet, dass der Astronaut sieht, wie sich das Licht wegbewegt, weil der Astronaut schneller nach innen fällt als das Licht. Können wir das beweisen? Es ist eigentlich ziemlich einfach zu beweisen, wenn wir von dem bekannten Ergebnis ausgehen, dass die Geschwindigkeit eines frei fallenden Beobachters aus dem Unendlichen beträgt (in Schwarzschild-Koordinaten):

Um dies in die Gullstrand-Painlevé-Koordinaten umzurechnen, notieren wir die Regenzeit$t_r$ist gerade die richtige Zeit$\tau$entlang der Flugbahn des einfallenden Astronauten, und die Eigenzeit steht in Beziehung zur Koordinatenzeit durch den Ausdruck, den ich oben angegeben habe:

Die Geschwindigkeit des Astronauten in GP-Koordinaten ist dann einfach:

Vergleichen Sie dies mit Gleichung (1) für die Lichtgeschwindigkeit, und Sie werden sehen, dass sich die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit des Astronauten um unterscheidet$1$. Das Licht bewegt sich also immer mit einer Geschwindigkeit von$c$relativ zum Astronauten.

Es gibt viele zusätzliche subtile Effekte, die Sie vernachlässigen – die Rotverschiebung, vielleicht die Hawking-Strahlung, die das Schwarze Loch schrumpfen lässt, und so weiter (man könnte Ihnen empfehlen, die Kausaldiagramme von Penrose zu lernen ) – aber wenn man versucht, kooperativ zu sein, er muss sagen, dass es in der Tat so ist, dass eine gewisse „Lichtgeschwindigkeit der Taschenlampe“, ausgedrückt in geeigneten Variablen, tatsächlich das Vorzeichen wechselt, wenn die Taschenlampe den Horizont überquert.

Für die neutralen Schwarzen Löcher manifestiert sich dies in den Schwarzschild-Koordinaten, wo sich die Metrik befindet

Siehst du das$dr/dt$Das ist eine Art "Koordinatengeschwindigkeit", die misst, wie viel die radiale Koordinate ist$r$ändert sich als Funktion der Schwarzschildzeit$t$, ist gleich$c(1-r_s/r)$und zwar, da schalten wir ab$r\gt r_s$zu$r\lt r_s$, diese Menge$dr/dt$wechselt das Vorzeichen ($dr/dt$gleich Null ist, wenn das Licht gerade den Ereignishorizont kreuzt – nun ja, solches Licht ist auf einen festen Wert von „begrenzt“.$r$).

Ich muss betonen, dass dieser Vorzeichenwechsel ein Artefakt der gewählten (Schwarzschild-)Koordinaten ist. Es gibt andere Koordinaten, die in der Nähe des Ereignishorizonts eines großen Schwarzen Lochs und im Bezugssystem eines einfallenden Beobachters oder der Taschenlampe dem Minkowski-Raum ähneln. In diesen Koordinaten breitet sich das Licht immer entlang aus$x=ct$Trajektorien mit fester Steigung und Vorzeichen. Und in diesen Koordinaten ist der Ereignishorizont eine Ebene, die sich ungefähr mit Lichtgeschwindigkeit nach "außen" bewegt (der Ereignishorizont ist in diesen Koordinaten nicht statisch!), was in diesen Koordinaten die Erklärung dafür ist, warum das Licht der Taschenlampe dies kann den Ereignishorizont nicht einholen.

Man kann viele verschiedene Koordinaten wählen und sie können Vorteile haben. Ein Schwarzes Loch ist ein statisches Objekt, also kann man Koordinaten wählen, in denen der metrische Tensor von der Zeit unabhängig ist$t$; Schwarzschild-Koordinaten sind ein Beispiel. Und man kann Koordinaten wählen, die die Umgebung des Ereignishorizonts "glatt" beschreiben, ohne Singularitäten und verwirrende Vorzeichenwechsel der Geschwindigkeit. Aber es gibt keine Koordinaten, die beide Eigenschaften gleichzeitig haben würden.

Jetzt gibt es einen Lichtstrahl, der sich mit Lichtgeschwindigkeit nach außen bewegt.

Ich fürchte, das ist nicht der Fall; Innerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzschild-Schwarzen Lochs ist die radiale Koordinate zeitähnlich, und daher ist eine Bewegung „nach außen“ in Richtung des Horizonts ebenso unmöglich wie eine Bewegung „rückwärts“ in der Zeit.

Diese Ebene ist in den Kruskal-Szekeres-Koordinaten zu sehen :

Bildnachweis

Sehen Sie, dass, wenn man den Lichtkegel betrachtet, der innerhalb des Schwarzen Lochs gezeigt wird, sogar Licht, das in Richtung des Horizonts emittiert wird, immer näher an die Singularität herankommt (die$r=0$Hyperbel am oberen Rand des Diagramms), erreicht es schließlich und kommt nie näher an den Horizont heran (die$r=2M$Linie durch den Ursprung).

Erstens ist die Lichtgeschwindigkeit, gemessen von einem lokalen Beobachter, immer gleich$c$.

Um Ihr Problem richtig zu stellen, müssen Sie eine Lichtkegelversion der Kruskal Szekeres-Koordinaten verwenden

Die Metrik ist gegeben durch:

$ds^2 = F(r) dU dV + r^2 d\Omega^2$, wobei F(r) eine Funktion von r ist

Das Innere des Schwarzen Lochs ist gegeben durch$U > 0$und$V > 0$

Die ausgehenden Null-Geodäten sind gegeben durch$U = Cte$(mit$V$zunehmend).

Die eingehenden Null-Geodäten sind gegeben durch$V= Cte$. (mit$U$zunehmend).

Der Zukunftshorizont ist gegeben durch$U = 0$und$V > 0$.

Die zukünftige Singularität ist da$UV = 1$mit$U > 0$und$V > 0$.

Stellen Sie sich also vor, Sie befinden sich im Inneren des Schwarzen Lochs$U > 0$und$V > 0$, senden Sie ein ausgehendes radiales Lichtsignal, aber dieses Signal ist an$U= Cte$, also die Variable$U$bleibt$>0$. Aber der Zukunftshorizont ist$U = 0$und$V >0$. Ihr ausgehendes Signal erreicht also niemals den (zukünftigen) Horizont, weil der Wert$U=0$wird nie erreicht.

Es ist besser, ein kleines Diagramm mit den Koordinaten U und V orthogonal zu zeichnen, mit nach oben gerichteten Achsen und mit U und V, die einen Winkel oder 45 Grad von der Vertikalen bilden.

Um das Schema zu vervollständigen, haben Sie auch:

Die vergangene Singularität ist in$UV = 1$mit$U < 0$und$V < 0$.

Der vergangene Horizont ist gegeben durch$V = 0$und$U < 0$.

Ich denke, eine mögliche Analogie wäre, sich vorzustellen, dass die Singularität ein Wasserfall ist. Indem Sie Licht aussenden, versuchen Sie, mit einem zahmen Fisch ein Signal flussaufwärts zu senden. Außerhalb des Ereignishorizonts kann der Fisch gegen die Strömung ankommen. Aber der Fluss fließt innerhalb des Ereignishorizonts so schnell, wenn er sich dem Wasserfall nähert, dass Ihr Fisch kurz nach Ihnen über den Wasserfall geht, weil der Fluss schneller fließt, als der Fisch schwimmen kann. Beachten Sie, dass der Fisch zu keinem Zeitpunkt die Richtung ändert und sich in Bezug auf Sie mit "Fischgeschwindigkeit" bewegt.

Dieses „Flussmodell“ für ein Schwarzes Loch wird ausführlich von Hamilton & Lisle (2006) diskutiert .

Definieren wir zur besseren Übersicht folgendes:
Achsrichtung = die Richtung, in die Person und Lichtstrahl in den BH gezogen werden.
Radiale Richtung = die Richtung senkrecht zur axialen Richtung.

Wenn wir in die gleiche Richtung schauen, in der die Person und das Licht in das BH gezogen werden, den Lichtstrahl beobachten, wie er in das BH gezogen wird, sehen wir Folgendes:

1. Welches reflektierte Licht auch immer der Strahl erzeugen mag (dh aufgrund von Gas, Trümmern usw.), mit dem er kollidiert, wenn er sich dem Ereignishorizont nähert. (Dies setzt voraus, dass wir an einem Punkt beginnen, an dem wir das reflektierte Licht des Lichtstrahls noch sehen können).

2. Die Kraft des Lichtstrahls wird (an irgendeinem Punkt) nicht über die Außenkante des BH hinausgehen, da er weiter in den BH gezogen wird.

3. Die Person und der Lichtstrahl würden aus unserer Sicht verschwinden, wenn sie den Ereignishorizont passierten (ähnlich wie ein Schiff, das auf See über den Horizont hinausfährt).

4. Wenn wir unseren Blickwinkel (und Beschleunigung) so ändern, dass wir in den Lichtstrahl blicken könnten, während er in den BH gezogen wird (wie eine Kamera, die einem Sprinter auf einer Rennstrecke folgt), würden wir sehen, wie sich der Lichtstrahl in axialer Richtung verbreitert (dh parallel zur Richtung der sich bewegenden Person), da die Kräfte des BH die Kräfte des Lichtstrahls überwinden und ihn verzerren/schwächen. Ich denke, das Licht würde (aus unserer Perspektive) einfach ausgehen, wenn es zu weit in den BH hineinkommt.

re "Wenn es sich jetzt nicht in einem Bogen bewegen kann, sondern auf eine radiale Bewegung beschränkt ist, muss es irgendwann vor dem Horizont die Richtung ändern und zurück in das Schwarze Loch fallen."
- Oder vielleicht ist es nur so weit geschwächt, dass es nicht über BH hinausgehen kann.
Außerdem sind Kräfte in der Nähe des Zentrums des BH größer als Kräfte in der Nähe des Rands des Schwarzen Lochs (dh wie bei einem Wirbel). Größere Kräfte wirken sich mehr auf das Licht aus und kleinere Kräfte wirken sich weniger auf das Licht aus. Das bedeutet also wahrscheinlich, dass das Licht in der Nähe der Mitte des BH schneller gebogen / gedämpft wird als Licht in der Nähe des Randes / Randes des BH.

zu: "Wenn die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, wie ändert sie dann plötzlich die Richtung, ohne entweder abzubremsen oder unendlich viel Energie zu benötigen?"
--Es gibt Kräfte im Universum, die größer sind als das Licht. Sie müssen nicht unbedingt unendlich sein, um die Kraft des Lichts zu biegen/zu verlangsamen, zu verzerren oder zu zerstören.

Geschwindigkeit ist

aber am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs wird das Zeitintervall$0$.

Stellen Sie sich vor, eine Taschenlampe blinkt periodisch 1 Blitz / s (im Referenzrahmen der Taschenlampe). Wenn sich die Taschenlampe dem Ereignishorizont nähert, sieht jemand, der weit vom Ereignishorizont entfernt ist, eine Taschenlampe aufblitzen$0.1$blinkt/s,$0.001$blinkt/s$0.00001$blinkt/s und nimmt ab, wenn es sich dem Ereignishorizont nähert.

Die Anzahl der Blitze pro Sekunde ist ein von uns (Menschen weit entfernt vom Schwarzen Loch) beobachtetes Zeitintervall.

Unsere eine Sekunde sind also 0,00001 Sekunden der Taschenlampe.

Taschenlampe am Ereignishorizont sieht das Licht mit Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) für 1 Sekunde (kann 10 Sekunden oder$x$Sekunden), sehen wir ein Licht, das sich 0 Sekunden lang mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Aus der Formel:

:)

Obwohl Licht eine konstante Geschwindigkeit von hat$299,792,458$[m/s] in einem lokalen Inertialsystem unter Vernachlässigung der Elemente (dh im Vakuum) wird die Entfernung, die das Licht am Ereignishorizont zurücklegt, zu 0 (es bewegt sich jedoch mit einer konstanten (und endlichen) Geschwindigkeit).

Licht wird niemals langsamer oder ändert die Richtung. Es bewegt sich gerade „raus“ in Bezug auf die einstürzende Person, aber gerade „hinein“ in Bezug auf uns, die Beobachter außerhalb des Schwarzen Lochs (soweit die relevanten Koordinatensysteme sagen) radial mit konstanter Geschwindigkeit, wir jedoch externe Beobachter beobachten es nie, wie es den Ereignishorizont durchdringt, als ob es dort stehen geblieben wäre.

Ist es nicht seltsam?

Ich habe nach einer doppelten Frage gesucht, als ich auf diese gestoßen bin. Sie ist nicht ganz mit meiner Frage identisch, scheint aber nützlich zu sein.

Ich wollte fragen: "Wenn Sie einen Pfeil auf ein Schwarzes Loch schießen würden, wie lange würde es dauern, bis er die Oberfläche trifft", dachte ich, es wäre eine interessante Frage.

Der Unterschied zu dieser Frage scheint zu sein, dass Sie der Pfeil sind und eine Taschenlampe zurück zur Startlinie richten.

Lassen Sie mich meine Antwort damit beginnen, dass ich noch weit davon entfernt bin, qualifiziert zu sein, um diese Frage zu beantworten.

Wenn der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs die Entfernung vom Zentrum ist, aus der kein Licht entweichen kann, stellen Sie sich vor, eine Person fällt mit einer Taschenlampe in das Schwarze Loch.

OK, also kümmern wir uns nicht um:

• Die voraussichtliche Lebensdauer der Batterien, also ∞
• Ihre Startgeschwindigkeit relativ zum Schwarzen Loch, also 0
• Sie sagen: "... kann sich nicht in einem Bogen bewegen ...", also ist es wie ein Lichtschwert (kein Bewässerungsschlauch)
• Ihre Stärke, also ist es ∞ (Sie können nicht platt gemacht werden oder die schwere Taschenlampe fallen lassen), es sei denn , Sie schlagen Ihren Kopf auf einen Felsen (die Oberfläche des Schwarzen Lochs); das führt dazu, dass Sie all Ihre Kraft verlieren (Sie werden später sehen, wie das die Antwort unterstützt)
• Bewegung des Schwarzen Lochs durch den Weltraum, Sie könnten es abgleichen; Es sollte sich auch nicht drehen, da dies eine Winkelbewegung hinzufügen würde (Licht würde "überschlagen", um Ihre Terminologie zu verwenden) und die Schwerkraft am Äquator erhöhen (und an den Polen verringern) aufgrund der Abflachung der Fusionsmasse

Er richtet seine Taschenlampe in eine exakt radiale Richtung und schaltet sie ein. Jetzt gibt es einen Lichtstrahl, der sich mit Lichtgeschwindigkeit nach außen bewegt. Wenn es sich jetzt nicht in einem Bogen bewegen kann, sondern auf eine radiale Bewegung beschränkt ist, muss es irgendwann vor dem Horizont die Richtung ändern und in das Schwarze Loch zurückfallen.

Ihre Annahme ist, dass sich das Licht mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, was auch davon ausgeht, dass sich innerhalb des Ereignishorizonts ein Vakuum befindet, es scheint unwahrscheinlich, aber lassen Sie uns damit fortfahren. Ich werde langsames Licht unten ansprechen.

Stellen Sie sich den Ereignishorizont vor, als wäre er eine riesige Plastikblase, dünner als eine Seifenblase und unbeweglich am absoluten Nullpunkt (sehr stark, aber Sie können sie durchdringen).

Wenn die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, ...

Die Lichtgeschwindigkeit ist im Vakuum konstant . Nichts sagt, dass Licht nicht langsamer reisen kann.

Sehen Sie sich das Video von Lena Hau an: „ Prof. Lene Hau: Licht kalt stoppen “, in dem sie langsame Lichtverhältnisse erzeugt , wodurch Licht mit einer Geschwindigkeit von bis zu 17 Metern pro Sekunde bewegt und sogar vollständig gestoppt wird .

Es gibt auch Theorien über Reisen, die schneller als Licht sind. Siehe Quelle: Notationsgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit , sonst wäre der Ereignishorizont hell erleuchtet (vielleicht ist es das, fragen Sie mich nicht).

... wie ändert es plötzlich die Richtung, ...

Stellen Sie sich auf der Erde vor, Sie werfen einen Gummiball direkt auf eine Zementwand (leicht von Ihnen weg geneigt); es prallt zurück in Ihre Hand. [Geeignete konventionelle Mathematik anwenden.] Fertig, nächste Situation.

Stellen Sie sich jetzt stattdessen vor, dass Sie mit dem Kopf voran auf ein Schwarzes Loch zusteuern und die Taschenlampe zwischen Ihre Füße richten. Sie sind nur wenige Zentimeter vom Ereignishorizont entfernt und es gibt entweder keine Akkretionsscheibe oder Sie befinden sich an einer klaren Stelle ohne Trümmer.

In dem Moment, bevor Sie den Ereignishorizont berühren, reisen Sie und Ihre Taschenlampe praktisch mit Lichtgeschwindigkeit (minus ein winziges bisschen)

[ Denken Sie daran : Wir gehen davon aus, dass wir uns in einem Vakuum befinden, was unwahrscheinlich ist.]

Wenn du nicht stark wärst, würdest du dich dehnen und deine Füße würden zwei kleine Bits langsamer als das Licht reisen. Nehmen wir an, Ihr Kopf, Ihre Taschenlampe und Ihre Füße bewegen sich alle mit der gleichen Geschwindigkeit.

Anstatt wie der Gummiball zu sein und vom Ereignishorizont abzuprallen, durchdringst du ihn jetzt wie eine Kugel durch eine Glühbirne.

Wenn der Ereignishorizont unendlich flach wäre (und Sie auch für einen Moment), würden Sie am Rand des Lichts reisen (wenn Sie sich in einem Vakuum befinden) und für einen Moment würde kein Licht von der Punktquellenbirne emittiert werden Ihrer Taschenlampe (alles, einschließlich Licht, ist auf eine Richtung beschränkt; es ist: "in Richtung des schwarzen Lochs oder der Büste").

Während du durch den Ereignishorizont reist, und einen Moment später, würdest du am Licht reisen.

In dem Moment, in dem Sie den Ereignishorizont überqueren, reisen Sie in die gleiche Richtung (physisch, aus Ihrer Sicht, aus der Sicht eines Beobachters ist es, als wäre sein Augapfel das Schwarze Loch und der Ereignishorizont ein Spiegel), in der Sie vor einem Moment waren, weg von der Startlinie.

Sie haben wieder die normale Länge (weil Sie so stark sind). Der einzige Grund, Sie für einen Moment platt zu machen, besteht darin, einen bestimmten Ort zu definieren, an dem sich Kopf und Füße im Licht bewegen. [Schlechte Mathematik und grobe Vereinfachung, OK. Da wir davon ausgehen, dass wir uns in einem Vakuum befinden, wurden gültige Berechnungen bereits verworfen.]

Betrachten Sie es als eine "obligatorische Richtung", nichts kann sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen, in die Sie gehen, Ihr Schuh kann unmöglich herunterfallen, Sie können Ihre Schlüssel (oder Taschenlampe) nicht fallen lassen und Licht (oder irgendetwas) kann sich nur bewegen ein Winkel dazwischen: etwas größer als 90° (seitlich), das würde enorme Energie erfordern, und direkt auf den Mittelpunkt zu.

Wenn Sie eine Taschenlampe mit einem breiten Strahl hätten, der bei 90 ° seitlich gerichtet wäre, wäre etwas mehr als die Hälfte der Taschenlampe schwarz (weil das Licht nicht nach außen dringen kann) und die verbleibende etwas weniger als die Hälfte der emittierenden Oberfläche hätte das Licht nach unten zum Mittelpunkt gezogen, wie die Zahl 7 mit einer kurzen und abgerundeten Ecke (wie ein Fragezeichen mit einer flachen Spitze wie eine Zahl sieben).

... ohne entweder zu verzögern, ...

Nichts, nicht einmal Licht, kann sich mit genug Kraft bewegen, um nach unten zu reisen, und vor allem ändert sich Ihre Richtung (wie sie von einem äußeren Beobachter gesehen / nicht gesehen wird) nicht ...

Sie bewegen sich immer mit zunehmender Geschwindigkeit auf das Zentrum des Schwarzen Lochs zu (wir gehen davon aus, dass es sich nicht dreht und dass Sie sich ihm anpassen, wenn es sich bewegt), wobei Sie die Lichtgeschwindigkeit überschreiten (geringfügig aufgrund der Gravitationskonstante des Schwarzen Lochs). ) am Ereignishorizont, wo der Raum selbst invertiert wird.

Sie sind wie der Gummiball, der von einer papierdünnen Wand abprallt, außer in dem Moment, in dem Sie die Wand berühren (um abzuprallen), befinden Sie sich (vorausgesetzt, Sie sind papierdünn) auf der gegenüberliegenden Seite der Wand und prallen von der gegenüberliegenden Seite ab (Raumrichtungen sind umgekehrt von oben nach unten, aber Ihre Fahrtrichtung ist die gleiche wie vorhin).

Es gibt also keine Entschleunigung und keine Energie oder Anstrengung Ihrerseits, um den Ereignishorizont zu durchbrechen.

... oder unendlich viel Energie benötigen?

Es ist die Richtung selbst, die entgegengesetzt ist (Ost und West oder Nord und Süd, Flip). Es ist, als wäre die Erde viel größer, hohl und die Schwerkraft umgekehrt; du fällst auf den zentralen Punkt zu. Es ist, als würde dich der Ereignishorizont drängen und zu deinen Füßen schrumpfen; aber es ist das schwarze Loch und seine Gravitationskonstante zieht Sie hinein und beschleunigt langsam Ihre Geschwindigkeit.

Das Licht Ihrer Taschenlampe beleuchtet Ihre Füße also nicht mehr, sie sind schwarz (wir dehnen die Wahrheit aus, um anzunehmen, dass Sie sehen und denken können), Licht kann entweder zum „Batterieende“ der Taschenlampe wandern oder es wird blockiert; wie ein Laserpointer, der mit der Spitze nach unten auf einen Spiegel gelegt wird. Nichts hat genug Energie, um zu Ihren Füßen zu wandern.

Es ist, als würde man durch eine "Zwei-Wege-Spiegel-Alufolie-Kugel" reisen, während man weiter in die Schichten eindringt, die man nur sehen kann, wenn die Photonen des Objekts aufholen können und Objekte über Ihrem Kopf kein Licht emittieren können, das dem entkommen kann Schwerkraft und treffen Sie Ihre Augen.

Wenn das Licht unmöglich emittiert werden kann (wie bei einer LED-Taschenlampe), kann es nirgendwo hingehen und möglicherweise den Chip erhitzen. egal. Drehen Sie die Taschenlampe um 180° (bevor Sie auf die flüssige Verschmelzungsoberfläche des Schwarzen Lochs aufprallen) und das Licht verlässt die Taschenlampe mit Lichtgeschwindigkeit plus der Gravitationskonstante.

Als nächstes krachen Sie mit Lichtgeschwindigkeit plus Endgeschwindigkeit in die Oberfläche des Schwarzen Lochs, ohne Abprallen oder Spritzen, und weil Sie im Vergleich so winzig sind und Ihr Raum komprimiert ist, also (praktisch) keine Wirkung.

"Unendliche" Energie, Geschwindigkeit usw. ist unmöglich; so wie alle Galaxien zusammen nicht unendlich viele Atome haben.

Es gibt keine Beschleunigung oder Verzögerung genau am Ereignishorizont, die Richtung des Weltraums dreht sich um und Ihre Trägheit bewegt sich in die gleiche Richtung wie Momente zuvor.

[Das ist meine stark vereinfachte Erklärung ohne Mathematik.].

Wie ich weiß, kann die Feldtheorie, die den Ersteller des Themas anspricht , die sehr mächtigen Gravitationsfelder nicht erklären. Es ist also keine gute Idee zu versuchen zu verstehen, was mit einem Photon passiert, das sich im Inneren des Schwarzen Lochs im Sinne der Feldtheorie oder der speziellen Relativitätstheorie befindet.

Die Natur hat nicht den alleinigen Raum und die alleinige Zeit , das kann man sich abstrakt vorstellen, aber es entsteht nicht der reine Raum oder die reine Zeit im Labor.

Warum also ist die Lichtgeschwindigkeit konstant, wie ändert sie plötzlich die Richtung, ohne entweder abzubremsen oder unendlich viel Energie zu benötigen?

Photonen ändern ihre Richtung nicht, sie bewegen sich direkt auf den geodätischen Linien der Raumzeit , und innerhalb des Schwarzen Lochs ist die Krümmung der Raumzeit so groß, dass alle diese Linien den Weg direkt zur Singularität führen .

Wie Ameisen auf dem Apfel (aber stellen Sie sich vor, dass die Ameisen in einem Apfel die Grenze nicht durchbrechen können, sich so schnell wie möglich bewegen, aber immer in der Mitte des Apfels fangen). Sie können den Apfel NICHT durchdringen, und Photonen können die Raumzeit nicht durchbrechen und durch das Raumzeit -KONTINUUM gelangen .

Sie können sich vorstellen, dass Hockeyspieler das Eis nicht brechen können und sich direkt auf der Eisoberfläche bewegen, selbst wenn Sie die riesige Eisoberflächenkrümmung machen! :) Es wird kein gutes Bild sein ...
Ich denke, im Inneren des Schwarzen Lochs wird so etwas sein r - Radius vom Zentrum des Schwarzen Lochs, t - Ortszeit, Kegel - Lichtkegel, $\Large{r_{s}}$- Schwarzschild-Radius .

Photonen haben keine Masse (ja, es ist eine andere schwer vorstellbare Sache, aber trotzdem), und Sie können ihnen keine Kraft im klassischen Sinne dieses Dings zufügen ... :)

Lichtstrahlen können also das Raumzeit-Kontinium nicht durchbrechen und sie können nicht in der Zeit zurückgehen ! Somit führt für sie der einzige Weg durch die riesige gekrümmte Raumzeit innerhalb des Schwarzen Lochs in die Zukunft = zum Singularitätszentrum .
Sie können die gute Antwort auf Ihre Frage auf Seite 43 dieses Buches Black Holes - Lectures of Physics lesen

Wie verhält sich Licht im Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs?

Es verhält sich überhaupt nicht.

Wenn der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs die Entfernung vom Zentrum ist, aus der kein Licht entweichen kann, stellen Sie sich vor, eine Person fällt mit einer Taschenlampe in das Schwarze Loch.

Ich habe dies mit einer Vielzahl von Relativisten untersucht und diese Frage gestellt . Die Antwort kommt für die meisten Menschen überraschend.

Er richtet seine Taschenlampe in eine exakt radiale Richtung und schaltet sie ein. Jetzt gibt es einen Lichtstrahl, der sich mit Lichtgeschwindigkeit nach außen bewegt. Wenn es sich jetzt nicht in einem Bogen bewegen kann, sondern auf eine radiale Bewegung beschränkt ist, muss es irgendwann vor dem Horizont die Richtung ändern und in das Schwarze Loch zurückfallen.

Das ist nicht wahr. An keinem Punkt des Szenarios ändert das Licht jemals die Richtung und fällt zurück in das Schwarze Loch.

Wenn die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, wie ändert sie dann plötzlich die Richtung, ohne entweder abzubremsen oder unendlich viel Energie zu benötigen?

Es ist nicht konstant. Sehen Sie sich die digitalen Papiere von Einstein an . Diese stammt aus dem Jahr 1920:

Oder sehen Sie, wie Irwin Shapiro 1964 darüber spricht:

Die Lichtgeschwindigkeit variiert mit dem Gravitationspotential. Licht geht langsamer, wenn es niedriger ist. Und das bedeutet, dass der nach oben gerichtete vertikale Lichtstrahl schneller wird . Ich weiß, das wurde dir nicht gesagt, aber ich erfinde das nicht. Weitere Informationen finden Sie in diesem PhysikFAQ -Artikel . Schauen Sie sich jetzt Wikipedia an . Beachten Sie Folgendes: "Die Koordinatengeschwindigkeit des Lichts (sowohl momentan als auch durchschnittlich) wird in Gegenwart von Gravitationsfeldern verlangsamt." Das passt zu dem, was Einstein und Shapiro sagten, und Don Koks und andere. Beachten Sie nun Folgendes: "Am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ist die Koordinatenlichtgeschwindigkeit Null". Das Licht kommt nicht heraus, weil die Koordinatenlichtgeschwindigkeit, die von entfernten Beobachtern gemessene Lichtgeschwindigkeit, null ist . Wenn Ihr Beobachter absteigt, tritt das Licht seiner Fackel immer langsamer und langsamer und langsamer aus, bis es am Ende gar nicht mehr austritt . Deshalb ist das Schwarze Loch schwarz.

Anmerkungen:

Einstein verwarf Gullstrand-Painleve-Koordinaten aus gutem Grund. Ein Gravitationsfeld ist ein Ort, an dem eine Energiekonzentration in Form eines massiven Körpers den umgebenden Raum „konditioniert“ und seine metrischen Eigenschaften verändert hat, was als gekrümmte Raumzeit modelliert wird. Aber es ist gekrümmte Raumzeit, nicht herunterfallende Raumzeit. Die Vorstellung, dass wir in einer Hähnchenwelt leben, in der der Weltraum zusammenbricht, ist popwissenschaftliche Pseudowissenschaft.

IMHO hätte Einstein die Kruskal-Szekeres-Koordinaten ähnlich abgelehnt. Sie werden sich bewusst sein, dass am Ereignishorizont die gravitative Zeitdilatation unendlich wird und eine Uhr nicht tickt? Was Kruskal-Szekeres-Koordinaten tun, ist, einen angehaltenen Beobachter effektiv vor die angehaltene Uhr zu stellen und zu behaupten, dass er "in seinem Rahmen" die Uhr normal ticken sieht. Obwohl er an einem Ort ist, an dem die Uhr stehen geblieben ist und das Licht aufgehört hat. Ich fürchte, es ist "Unsinn im Nimmerland". Es ist eine Skizze eines toten Papageien.

Bei der Rotverschiebung verliert ein aufsteigendes Photon keine Energie. In ähnlicher Weise gewinnt ein absteigendes Photon nichts. Sie wissen das, weil Sie wissen, dass Energieerhaltung gilt: Wenn Sie ein 511 keV-Photon in ein Schwarzes Loch schicken, erhöht sich die Masse des Schwarzen Lochs um 511 keV/c². Das rotverschobene Photon wird mit einer niedrigeren Frequenz emittiert , wenn sich der emittierende Körper in einer niedrigeren Höhe befindet, es verliert keine Energie, wenn es aufsteigt. Was die Hawking-Strahlung betrifft , so haben wir nach vierzig Jahren keine Beweise. Was kaum überrascht, da es die unendliche Zeitdilatation ignoriert und sich darauf verlässt, dass virtuelle Partikel auftauchen, obwohl sie nur in der Mathematik des Modells existieren. Und es beruht auf Teilchen mit negativer Energie. Wenn Sie eines davon sehen, rufen Sie unbedingt in Stockholm an. Außerdem und trotz vieler mathematischer Handbewegungen ist „ein Schwarzes Loch ein statisches Objekt“, sodass sich der Ereignishorizont nicht mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Kevin Browns mathspages-Artikel The Formation and Growth of Black Holes ist eine Lektüre wert. Achten Sie auf die Interpretation des eingefrorenen Sterns. Er bewertet es nicht, aber er schrieb diesen Artikel, bevor die digitalen Papiere von Einstein online gingen. IMHO wird diese relativ unbekannte Interpretation schließlich zur Mainstream-Interpretation. Es ist nur eine Frage der Zeit.