爲什麼光能逃逸恆星,卻不能逃逸同等質量的黑洞呢?

陳遠山2


光不能逃離黑洞說的是黑洞表面和一定範圍內的光,無法逃離黑洞。

黑洞不僅質量大而且個頭很小,這就大大增加了逃逸速度,這是被萬有引力的公式所決定的。萬有引力的大小與兩個因素有關,與質量成正比,與距離的平方成反比關係。當質量保持不變時,質量的分佈密度,就變得很重要。


要把整個恆星考慮成一個質點來吸引光或別的物質,就需要離恆星足夠足夠遠,否則你不能簡單的把整個恆星當成一個質點來計算它的萬有引力。這就像處於地心時,物體其實是失重的,因為在這個位置,物體會受到四面八方的萬有引力,它們會彼此給抵消了,此時不能再簡單的將地球看成一個質點來進行計算。但在計算地球和月亮之間的萬有引力,就不用考慮地球上的物質分佈,可以簡單將地球的全部質量當成一個濃縮在地心的點來進行計算即可,這是因為月亮離地球足夠遠了。

而黑洞和普通恆星相比,就具有巨大的區別。或者我們用地球來舉例吧。如果把地球壓縮到約9毫米那麼大,地球也將塌縮成一個黑洞。但是,月亮依然會圍繞這個黑洞地球運轉,不會受到影響,但進入微縮地球7毫米範圍內的物體將無法逃逸,光也一樣。

圖示:如果地球瞬間被壓縮成一個黑洞,那麼衛星和月球都不會受到太大影響。它們將繼續圍繞黑洞地球運動,並且逃逸速度也將保持不變。這是因為,我們在計算衛星的逃逸速度時,本身就已經默認將地球的所有質量都放到地心上去計算的。質量沒變,距離沒變,那麼萬有引力自然也不會變。


由於狹義相對論告訴我們有質量的物體都不能達到真空光速,因此我們可以通過公式計算出,黑洞周圍存在一個區域,在這個區域內甚至連光都無法逃逸出去,這就意味著無論黑洞自己是否發光,以及任何照射進黑洞的光,都不會被黑洞表面反射回來。這就是黑洞這名稱的由來。

圖示:黑洞的理論推導,與史瓦西半徑的發現有關。圖中紅色區域即是史瓦西半徑區,在此區內,甚至光都無法逃出萬有引力的吸引,所以歷史上這樣的理論推導出的怪物天體被命名為黑洞。現在,天文學家已經相當有把握的認定,黑洞是真實存在的天體,不再是理論計算出的怪物天體。


必須指出,太陽核心處產生的光逃逸出太陽的途徑是非常曲折的,涉及到光的吸收和釋放,通過一條極為曲折的路徑,經歷漫長的時間才能逃離太陽。但太陽表面產生的光子,則可簡單而輕鬆的逃逸。太陽的直徑與太陽壓縮成黑洞後的大小,差異實在太大了,萬有引力的大小,隨著距離的增加而迅速減弱。



黑洞與史瓦西半徑:白矮星、中子星和黑洞。

隨著物理學對原子和天體的瞭解逐漸增多,這兩個領域開始融合,比如白矮星和中子星的理論計算與天文發現。而1916年卡爾·史瓦西算出瞭如今大名鼎鼎的史瓦西半徑,當物質的大小被壓縮到該體積中後,就再沒有任何已知的力,能夠對抗萬有引力,於是物質的基本結構崩潰,質量被縮減到一個奇點上。


這是一個幾何意義上的無大小的點,當然這是理論計算,關於黑洞是否存在最小半徑,現在還有所爭議,比如普朗克黑洞,當物質的大小縮減到這麼小的尺寸時,可能存在別的效應能對抗萬有引力的壓縮。


而這個史瓦西半徑正是光速都無法逃逸的臨界值,當然也將代表著巨大到誇張的萬有引力,如此巨大的向內收縮的力量,將無法如白矮星和中子星那樣找到能夠對抗此種巨力的支撐力,於是物質的結構將完全破碎,而被壓縮成一個真正的點,即所謂奇點。

圖示:白矮星,是由簡併態物質構成的小恆星。構成它們的物質不再是普通的原子,而是一種特殊的簡併態物質,說簡單點就還保持著質子、中子和電子還都存在著,但它們被緊密的壓到一起,不在能形成傳統的電子,它們的原子核彼此堆積在一起,這讓白矮星的密度極高,一顆質量與太陽相當的白矮星體積只有地球一般大。

圖示:中子星的自然形成需要大質量恆星。大質量恆星在生命的最後階段開始向內塌縮時轉變為一顆超新星,巨大的引力將電子都壓進了原子核,將質子轉變為中子。這樣質子和質子之間的正電排斥力也就消失,中子彼此堆積成體積更小的中子星。其直徑只有大約20公里,但卻擁有大約1.5倍太陽的質量。如果質量更大,那麼中子星將繼續塌縮成黑洞。


圖示:黑洞相互繞轉時發出的引力波。

雖然,黑洞視界中連光都無法逃逸,但能量可以用引力波的方式被釋放到宇宙中來,並被我們探測到。引力波是研究黑洞的新工具。


三思逍遙


引力的大小,不僅與質量有關,還與距離有關。

引力的公式是

F=G*M1*M2/r²

G是常數;M1,M2是質量;r是距離。

所以引力大小取決於質量和距離,光的質量可以認為恆定(應該是能量換算成的質量),星體的質量越大,距離越近就會有越大的引力。

恆星變成黑洞後,雖然質量不變,但體積減小了,也就是r減小了(這裡的r可以認為是星體半徑),所以會導致引力的增大。半徑小到引力能拉住光,星體就變成了黑洞。

上述理由,可能會讓人誤解,覺得恆心內部靠近圓心的很小的空間內半徑也很小,恆星質量也沒變,為啥吸不住光?其實在內部,就沒辦法把外圍的質量也算進去了,外圍的質量會產生反向的引力,抵消了部分正向的引力,所以計算引力時,應考慮合力。

所以黑洞不是因為他重,而是因為他密度大。


空想的鹹魚


簡單來說,因為恆星的表面逃逸速度遠低於光速,而黑洞的表面逃逸速度是光速,所以光可以從恆星中逃逸出來,但不能從同等質量的黑洞中逃逸出來。

對於相同質量的天體,如果天體的半徑更小,也就是說把相同質量的物質壓縮在更小的空間中,那麼,天體的表面重力也會更強。例如,把太陽直接壓縮為半徑與地球大小相當的白矮星,那麼,這顆白矮星的表面重力是太陽的1.2萬倍;它的表面逃逸速度是太陽的10倍,達到了每秒6200公里,相當於光速的2%。而如果把太陽直接壓縮為半徑只有10公里的中子星,那麼,這顆中子星的表面重力是太陽的48億倍;它的表面逃逸速度是太陽的264倍,達到了每秒16.3萬公里,相當於光速的54%。不管是太陽、白矮星或者中子星,由於它們的表面逃逸速度低於光速,光可以從中逃逸出來。

但如果考慮極端的情況,把太陽進一步壓縮,使得表面逃逸速度增加到光速,那麼,光就無法從中逃逸出來,結果產生的天體就是黑洞,對應的半徑只有3公里。根據廣義相對論,黑洞之所以能夠束縛住光,是因為黑洞表面之內的空間被極度彎曲,使得光無法從扭曲空間中脫離。


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