有人问:如果一个人在黑洞里,1小时等于地球多少年?

这是一个违背科学常识的问题,一定要回答的话,我只能说:已知世界的任何物质都无法保持原样的进入黑洞,更别说很脆弱的生命和人类了。

因为黑洞里不会有我们已知物质存在

我们分层次描述一下黑洞:在黑洞极端引力和角动量作用下,在黑洞吸积盘中飞速旋转的物质都会在碰撞中化为齑粉,这个齑粉绝不是我们通常理解的齑粉,而是成为了基本粒子。在黑洞吸积盘从外沿到内沿,速度从每秒数千千米到数万千米,接近黑洞事件视界时,速度甚至接近光速。

在这样的速度碰撞下,会发出极高温度,从外围的数千度到里面的上亿度,甚至数千上万亿度,在黑洞事件视界附近,原子已经解体,物质成为稠密的夸克汤,吸积盘会发出明亮的可见光和不可见的X射线、伽马射线。

这些都是在黑洞视界以外被拉扯物质发出的回光返照,这些物质一旦被吸进黑洞视界以内,就再也不是我们认识的物质了,就连基本粒子也不存在了,现在的科学还无法解释黑洞物质是一种什么形态,只知道所有的质量都会无限坍缩到核心那个的奇点里,这个奇点无限小。

奇点到底有多小,没人知道,但至少要小于普朗克尺度。普朗克尺度约为1.6*10^-35m,比电子小20个数量级。所有物质都被压缩到这个奇点里,现在的理论无法解读这是一种什么样的物质。

黑洞奇点都一样小,但视界与质量成正比。

何谓视界,就是黑洞能被看到和看不到那个临界点,又叫史瓦西半径。

再大的黑洞,比如3个太阳质量的黑洞与1000亿个太阳质量的黑洞,中心都只有一个无限小的奇点,在奇点周围就是一片虚无的空间,光也只能跌落进奇点,所以这片虚空什么也没有,什么也看不见。这个虚空是围绕着奇点的一个球状,这个球状的大小就不一样了,而是与黑洞质量成正比,质量越大,这个球状空间越大。

这个空间就叫史瓦西半径,计算半径大小的公式为:R=2GM/C^2。这里的R表示史瓦西半径,单位m(米);G为引力常数,取值约6.67*10^-11;M表示天体质量,单位kg(千克);C为光速,单位m/s(米/秒)。

在这个史瓦西半径的临界处就是黑洞事件视界,也是物质可见和不可见的临界点。在视界外,物质即便粉身碎骨,也还能够以可探测的方式呈现,人们可以看到其发出来可见光,探测到X射线和伽马射线;在事件视界内,一切都化为乌有,连光也无法逃出。

在这种该状态下,人类怎么可能体验在黑洞中过一小时的感觉呢?不过,爱因斯坦广义相对论给了我们从理论上理解黑洞中时间流逝的状态,这就是引力时间膨胀效应。

时间在不同速度和引力状态下,流逝速度不一样

在爱因斯坦广义相对论中,有两个时间膨胀效应,一个是速度时间膨胀效应,一个是引力时间膨胀效应。简单地说,就是在不同的参考系中,时间流逝是不一样的,速度越快的参考系中,以及引力越大的参考系中,时间流逝速度越慢。

比如在地球表面和运行在太空的卫星上,时间流逝就有差别。人与地球相对是静止的,而天上卫星相对地球速度是较快的,因此卫星上相对地球表面的时间流逝要慢一点;而地球表面引力更大,卫星距离地球表面远,引力相对要小一些,因此地球表面又比卫星上的时间流逝要慢一些。

这样里外一折,天地时间就有了差异。这样,科学家们就需要对导航卫星时间进行相对论调整,才能够精准地进行定位导航。

当然地球和卫星这点引力和速度导致的时间差异很小,只是以毫秒计,并不明显。但如果移到黑洞附近的引力,就不可同日而语了。在美国科幻片《星际穿越》中,库珀等宇航员们驾驶的飞船进入黑洞附近巨大引力场,经历1小时地球就过了7年,时间膨胀了6万多倍。

为什么会这样呢?这是因为引力越大,导致的时间弯曲越大,时间流逝就越慢。

引力时间膨胀效应

爱因斯坦广义相对论中得出了引力时间膨胀的公式,表达为:t‘=t*√(1-2GM/rc?)。这里,t表示引力时间膨胀效应值;t为低引力惯性系观测者时间流逝值;G为引力常数;M为天体质量;r为天体半径;c为光速。

通过以上公式我们可以得出,时间膨胀程度与质量的开方成正比,与半径(或距离)开方成反比。即天体质量越大,时间膨胀越大;半径(距离)越小,时间膨胀越大。而在黑洞史瓦西半径以内,是质量压缩的极端临界点,由于光都无法逃逸,引力达到无限大,因此那里的时间是静止的。

如果一定要假设某个人在黑洞中过一小时,地球上过了多久,那么我告诉你,那个人根本就感觉不到时间的流逝,地球过了1亿年1000亿年,他也没过1秒钟。

但《星际穿越》中的库珀等宇航员们,在一个1亿倍太阳质量黑洞旁的米勒星球上,1小时相当于地球7年,根据引力时间膨胀公式就可以计算出这个星球与黑洞中心的距离,现在把这个题解留给读者,你能计算出这个星球的距离吗?

有兴趣者可以在评论区将计算结果留言讨论。

如果你计算的正确,你会发现要达到这样大的时间膨胀效应,必须在距离黑洞事件视界很近的地方,在这样近的距离,理论上星球和飞船都是无法生存的。因此《星际穿越》就是一个科幻,而且并不是严谨符合科学理论的科幻,观众只要认真享受其中的艺术感染力就好,千万别钻理论牛角尖,如纠缠科学理论就会让你感到很失望。

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