为什么光会被黑洞吸住？光不是没有质量吗？

　　本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。

　　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。

　　举报/反馈