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命运石之门中的物理学原理(科普贴)

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推完石头门本篇,最让人眼前一亮的就是其科学背景设定了,什么是克尔黑洞?为什么一定要选择克尔黑洞才能时间跳跃?42寸布朗管和飘升机为什么会影响到黑洞?通过奇点是否真的有进行时间穿越的可行性?
虽然本篇的科学设定在某些地方槽点很多(比如微波炉能生成迷你黑洞。。。)但是在黑洞和时间穿越这部分却比较硬核,这部分设定在动漫里被一笔带过,大部分人也看不懂,觉得很无聊。属实有些可惜反倒是在本篇游戏中有详解。因此楼主特地开一个科普贴给大家详细介绍介绍这部分被大部分人忽视的5pb制作组用心的地方
黄昏色的救世主镇楼


IP属地:重庆来自Android客户端1楼2025-04-18 11:01回复
    Part.1 爱因斯坦方程场与Kerr黑洞


    IP属地:重庆来自Android客户端2楼2025-04-18 11:09
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      2025-08-27 04:40:45
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      爱因斯坦场方程与Kerr黑洞
      游戏中,助手说Kerr黑洞是理论上可能存在的黑洞,所谓的该理论指的就是爱因斯坦场方程场了

      如果考虑能量-动量张量,那么爱因斯坦方程的解将会很复杂。史瓦西令等于0,对于真空静止球对称的情况,给出了代表黑洞的史瓦西解。

      这就是理论上不带电,不旋转的黑洞,我们通常称其为史瓦西黑洞。
      基于史瓦西度规,后推导出克尔度规,其同样为其为爱因斯坦场方程的精确解。
      石头门设定中的克尔黑洞带电,所以准确来说并不是克尔黑洞,而是克尔-纽曼黑洞(Kerr-Newman black hole,下简称KN黑洞)
      假设时空是稳态(存在时间Killing矢量 ∂t)和轴对称(存在空间Killing矢量 ∂ϕ)。度规和电磁势仅依赖坐标 r 和 θ,采用Boyer-Lindquist坐标系 (t,r,θ,ϕ)。

      其中
      这里 M为质量,a=J/Ma=J/M 为角动量参数,Q 为电荷
      不难看出当 a=0,Q=0时退化为史瓦西解。Q=0时退化为Kerr解,a=0时退化为Reissner-Nordström解。这便分别是四大黑洞(施瓦西黑洞,克尔黑洞,KN黑洞以及RN黑洞)所存在的理论依据了。这也是为什么红栖莉说Kerr黑洞只存在于理论之上。毕竟直到2015年才首次观测到引力波,19年才公布首张黑洞照片


      IP属地:重庆3楼2025-04-18 11:09
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        附上一张游戏里画的有些抽象的Kerr黑洞
        无线红移面,单向膜区,内外视界啥的倒是画出来了


        IP属地:重庆来自Android客户端4楼2025-04-18 11:19
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          part 2 Kerr黑洞为什么奇点是环状的?



          IP属地:重庆来自Android客户端5楼2025-04-18 11:22
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            好硬核


            IP属地:浙江来自Android客户端6楼2025-04-18 11:37
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              在求解奇点形状之前先来说一说奇点的的定义:时空的曲率奇点是曲率张量(如黎曼张量或克雷奇曼标量 )发散的位置。
              在克尔度规中,奇点由分母 Σ的零点决定:

              r^2≥0 且 (acos⁡θ)^2≥0,若想让方程Σ=0的解就得满足r=0且cosθ=0,故θ=2/π.奇点位于 r=0 且 θ=π/2(赤道平面)
              在 r=0处,黑洞的几何结构需通过坐标变换分析。将克尔坐标转换为笛卡尔坐标:

              当 r=0 且 θ=π/2 时:x=acosϕ,y=asinϕ,z=0,据此可以看出这描述了一个位于赤道平面(z=0)上、半径为 a 的圆环,参数 ϕ为方位角


              IP属地:重庆7楼2025-04-18 11:37
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                part 3 什么是裸奇点?为什么红莉栖会说角动量超过质量时视界消失?


                IP属地:重庆来自Android客户端8楼2025-04-18 11:41
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                  2025-08-27 04:34:45
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                  IP属地:湖南来自Android客户端9楼2025-04-18 11:45
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                    一直期待有这么个帖子科普下


                    IP属地:黑龙江来自Android客户端10楼2025-04-18 12:01
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                      通常来说,奇点都是在藏在事件视界之内的,在视界之外没有任何手段能够观测到奇点。但是对于Kerr黑洞,其事件视界半径由方程由3楼的度规可知

                      其中无量纲参数 a=J/Mc(几何单位制中 a=J/M),其临界值为 a=M。
                      由该方程可知当 a≤M 时,黑洞存在事件视界;M=0时内外视界合并为一个,当 a>M 时,事件视界消失,奇点裸露。
                      广义相对论允许超极端Kerr解(a>M),但是根据迄今为止科学家们的观测,尚未发现裸奇点存在的证据。
                      参考彭罗斯提出的宇宙监督假说(Cosmic Censorship Conjecture)认为:自然界会阻止裸奇点的形成,例如通过辐射、物质抛射或其他机制,使黑洞在形成或吸积过程中无法积累超过临界值的角动量。
                      因此裸奇点大概率是不存在的


                      IP属地:重庆11楼2025-04-18 12:03
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                        好久没看见这么硬核的帖子了,支持一波


                        IP属地:云南来自iPhone客户端12楼2025-04-18 12:09
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                          IP属地:上海来自Android客户端13楼2025-04-18 12:11
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                            part 4 为什么红莉栖这么执着于冲入奇点?冲入奇点能回到过去吗?


                            IP属地:重庆来自Android客户端14楼2025-04-18 12:12
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                              2025-08-27 04:28:45
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                              顶一波


                              IP属地:上海来自iPhone客户端15楼2025-04-18 12:12
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