为什么光会被黑洞吸住?光不是没有质量吗?

栏目:影视资讯  时间:2022-11-07
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  在宇宙中,存在着一种极其恐怖的天体,这种天体就是黑洞,是出了名的吃货,基本上遇到什么就吃什么。

  黑洞的质量都很大,星系的中心一般都会有一个超大质量的黑洞,比如:银河系中心就有一个质量达到400万倍太阳质量的黑洞。

  我们都知道,黑洞”能吃“是因为黑洞自身的引力大,但是就有人纳闷了,光不是没有质量么?为什么光也会被黑洞吸走?

  今天,我们就来聊一聊这个问题。

  万有引力定律

  这事还是要从牛顿的万有引力定律说起。我们都知道,万有引力定律描述的是物质之间的吸引力。

  牛顿在开普勒等人的贡献之上,推到了万有引力定律。他发现,引力和物质之间的距离的平方成反比,和物体的质量成正比。

  如果是这样,光“照理说”是没有质量的,那为什么还会被黑洞的引力牵引?

  其实在牛顿发表《自然哲学的数学原理》时,牛顿奠定了科学的研究范式,他认为要做研究之前,需要把各个物理量定义清楚。

  在这本牛顿的代表作中,前十多页,牛顿就干了一件事:下定义。

  如今我们熟悉的许多定义都是从这时开始有的,比如:质量,力等概念。

  所以,研究“光”为什么会被吸引,我们就得先把定义下清楚。那么问题就来了,“光”到底有没有质量?我们直接给出答案:有。那该如何去理解呢?

  这其实要从1905年说起,那一年,爱因斯坦提出了4篇开创性的论文,其中最后一篇被我们后来称为:质能等价。在这篇论文中,有一个物理领域最出名的公式:E=mc^2。

  我们都知道,E表示能量,m表示质量,c是光速。那这个公式有什么含义呢?

  我们比较常见的解读是,质量和能量的转化关系。但如果系统地学习这套理论,就会发现质量和能量根本不是转化关系,而是等价关系,所以,这套理论才会被称为质能等价。那该如何理解等价关系呢?

  科学家大栗博思就做了一个很形象地比喻,如果你有一笔钱,你可以把它都换成是人民币,同样的,你也可以把它换成美元。你甚至也可以把它一部分换成是人民币,一部分换成是美元。无论怎么去配比,总价值是不变地。

  这里质量其实就好比人民币,能量就好比美元,而“c^2”就好比人民币和美元之间地汇率。所以,当你拥有人民币(质量),并不意味着你就不能没有美元,因为它等价于一定量的美元。所以,质量和能量其实是一个东西的两面,质量里是有能量的,能量里也是有质量的,我们可以用质能方程还进行换算。

  所以,光其实是同时具有能量和质量的。因此,光是可以被黑洞所吸引的。但实际上,这个问题,我们说的还不够本质,为了再进行本质的探讨,我们可以从牛顿大炮说起。

  牛顿大炮

  牛顿在《自然哲学的数学原理》中就记载着一个思想实验,也是他想到万有引力的原因。他是这么考虑,假设有一个理想的大炮和炮弹。这个时候,我们把一个炮弹举到一定高度,然后松手,炮弹就会竖直下落。如果让大炮开炮的话,那就会走出一条抛物线。

  如果我们调整大炮的威力,让它射出的炮弹达到足够大的速度,比如:7.9km/s,那这个时候,炮弹就可以绕着地球飞行了。这是因为地球本身是曲面的,所以大地也是曲面的,地球有向下的趋势,当炮弹下落的趋势和曲面向下的趋势一致时,炮弹就永远不会着地了。我们也把7.9 km/s称为地球的第一宇宙速度,在不同的天体上,宇宙第一速度是不同的。

  紧接着,我们继续加快炮弹的速度,比如:大于11.2 km/s,这个时候,炮弹就可以摆脱地球的引力飞出去。我们也把11.2 km/s称为宇宙第二速度,同样的,不同的天体,宇宙第二速度也是不同的。

  所以,黑洞之所以能够吸光,是因为黑洞也有第二宇宙速度,只是这个速度远远大于光速,这样,即使跑得跟光一样快,也无法逃脱黑洞的引力了。

  不过,这样的解释也还是不够本质,因为这里存在着一个问题:引力到底是什么?

  引力的本质

  关于引力的本质,牛顿其实也没能给出一个合理的解释。不过,爱因斯坦,他就提出了广义相对论,这个理论可以解释万有引力的本质。

  要理解这个广义相对论,我们得先来简单地说一下狭义相对论。爱因斯坦基于两条基本假设:

  光速不变原理相对性原理推导出了狭义相对论,整个过程有点类似于初中几何数学证明题地感觉。而他在狭义相对论当中统一了“时间”和“空间”,他认为时间和空间并非是相互独立地,而应该结合起来看,称为时空。我们就生活在一个四维时空中,第四维是时间,前三维就是我们熟悉的空间。

  基于狭义相对论,爱因斯坦提出了广义相对论,他认为引力的本质是时空的弯曲。

  那该如何理解呢?我们都知道月球是绕着地球转,牛顿认为这是万有引力,而爱因斯坦则认为是地球压弯了周围的时空,月球沿着是空的“测地线”在运动,这里的测地线是四维时空中的“直线”。

  著名的物理学惠勒曾经这么总结广义相对论:

  时空告诉物质如何运动,物质告诉时空如何弯曲。

  因此,爱因斯坦认为并不存在所谓的“万有引力”,这其实是时空弯曲造成的。如果是这样的话,黑洞能够吸引光是因为黑洞对于时空的扭曲特别剧烈。

  当光经过时,光只是沿着时空的“测地线”在运动,但结果就是直接掉落到黑洞当中。因此,这里也无须光是“有质量”的。

  当然,你可能要说了,我们并看不到“时空”,又如何判断爱因斯坦说的对不对呢?

  实际上,科学家是有一套他们的方法去验证爱因斯坦和牛顿到底谁说的对。1919年,有一个叫做爱丁顿的天文学就带队去进行日全食观测,就想沿着广义相对论。

  结果,广义相对论在预测的精度准要远高于牛顿的万有引力。于是,爱因斯坦一举成名。后来,更多的实验证明了爱因斯坦的观点。甚至广义相对论预言的黑洞和引力波也被我们都找到了。因此,广义相对论成为了解释“引力现象”的主流理论。

  因此,按照目前的认知,光之所以掉落到黑洞,本质上就是黑洞对于时空剧烈的扭曲造成的。

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