先说答案:黑洞不是洞,也不是实心球,它是一个时空高度扭曲的区域。下面为您详细解释:
一、黑洞不是洞注意一下“洞”这个词,它实际上指的是物质缺失的地方,比如、山洞、地洞等等。如果我们在三维空间坐标系中构建这样一个洞的结构,那么洞是没有物质的地方,洞的外面是构成包裹着洞的实体,这个洞不随着时间的变化而变化。
黑洞其实恰恰相反,黑洞本身非但不是物质缺乏的地方,反而是质量高级聚集的区域。或者说,那里存在着质量、密度都极大的物质。
二、黑洞不是个实心球啥是实心球我们就不说了,太简单,在我们看来,所有的天体都应该是个球,即使不像球那么圆,也是各种类似圆球的球,咱们的月亮、太阳、夜空中的恒星其实都是如此。包括2019年,科学家拍摄到了首张黑洞照片,也是如此,在黑洞中心有个黑斑。
因为我们看到的天体就是个“球”,所以想当然会认为黑洞也是个球。这犯了经验主义的错误,在遥远的观察者看黑洞,它确实是一个球,但并没有看到黑洞的全貌,因为我们身处在一个相对平直的发散的时空中,对视界面内部(黑洞内)只能通过理论预测。
黑洞视界面内是一个时空高度扭曲的空间。这里不光是空间是严重扭曲的,而且距离黑洞中心不同,其时间流速也不同。对于黑洞内部的状态,就不能用三维空间坐标系来描述了。
三维中间中的铁球,其内部物质分布不随时间变化。而黑洞内部即使不考虑空间扭曲,但物质分布在时间上也是不均匀的,无法讨论是不是实心的问题。
三、黑洞究竟是什么样?我们所处的时空是发散的,简单说,就是可以以地球为坐标原点,建立一个时空坐标系,坐标系的轴指向无穷远。但黑洞内部不是如此,以史瓦西黑洞为例,其有两处时空奇异,一个是在史瓦西黑洞的表面(视界面),一个是在黑洞中心r=0的位置。
在黑洞表面的奇异性经过分析证明时空不是发散的,之所以看上去发散,是因为坐标选择的问题。简单说,就是我们在地球上看是个奇点,但如果你站在视界面上看就不是。但在r=0的位置是一个真实的奇异点。
在史瓦西黑洞表面(视界面上),平直时空中的任何一个点都可以有一个光锥,这个光锥的法向矢量和切向矢量都在视界面上。黑洞外部的光锥,越靠近视界面,其光锥就越扁。在视界面处,光锥退化为一根线。到黑洞内部,光锥横过来了,随着靠近奇点r=0处,则光锥由胖变瘦。
之所以在地球上看到的黑洞是个球,是因为时间的正向决定的,而在视界面内部,由于不能通过时间来判定光锥的指向,所以就无法知道里面究竟是什么样。具体黑洞内部什么样,与黑洞形成过程中,具体的初始条件有关。
以克鲁斯卡时空的彭若斯图为例,这张图中的任何一个点代表一个r取定值的二维球面,I和II是两个互不通信息的宇宙、r=2M 是视界、F是黑洞区、P是白洞区、r=0是奇点。
结束语黑洞是广义相对论在四维时空下预言并证实存在的天体,所以不能用牛顿力学中的空间去理解。如果你坚持问我黑洞里面究竟是什么?我只能回答,视界就是黑洞的边界,以最简单的稳态史瓦西黑洞为例,从视界面指向中心(r=0)处的不是什么空间,而是未来。
文/郭哥聊科学,图片来自网络侵删。我也不知道我这样的解释您有没有明白,但能力有限,只能到此为止了。