经典力学也能预测黑洞存在,并计算出其半径。为什么没人提?

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这两天黑洞热成狗了,本不想凑热闹。问主这个大学物理就讲过的基础概念,本以为答帖会排着队,没想到冷到冰。既然没大神,只好我来凑个数。



爱因斯坦之前最牛的神肯定是牛顿,这位爵爷是真牛。牛顿三定律一出,天下尽折腰,那会儿人们都以为物理学也就到这儿了,全世界,不,全宇宙都得服从牛爷。



十八世纪,通过对木卫围绕木星的运动,人们已经测出了光的速度为30万公里/秒。1783年,英国自然科学家米歇尔(John Michell)把光的微粒说跟牛顿的引力定律结合,预言了致密星体的状态。

根据牛顿定律人们知道星体有所谓“逃逸速度”,不同质量星体的逃逸速度不同。地球的逃逸速度是11公里/秒,太阳因为质量大的多,逃逸速度是617公里/秒。

既然质量越大,半径越小,引力就越大,逃逸速度就越大,米歇尔推论,对某个天体来说,存在一个临界周长,它的逃逸速度是光速,那么小于这个周长的同质量星体来说,光就不可能逃逸。这个星体就是不可见的,叫做暗星。这是“黑洞”的第一次露面。十三年后,法国哲学家拉普拉斯也做出了相同的预言。后来到十九世纪这个话题就不再有人提及了,为什么?因为物理学发现光不再是微粒了!托马斯.杨发现的光的自干涉证实了惠更斯的光波动说,光是波不是粒子(那会儿对光的的认识),光的逃逸速度就行不通了。



后来的事大家都知道了,有个更牛B的叫爱因斯坦,他的相对论比牛爵爷的学说更进了一步,黑洞啥的都只是广义相对论的副产品。

现在回到正题。米歇尔和拉普拉斯的“暗星”跟“广相的“黑洞”,都是光无法逃逸,都是看不见,都黑,但是它们一样吗?本质上完全不同!



暗星的原理是,逃逸速度大于光速的星体向上射出的光粒子在引力作用下越来越慢越来越慢,直到速度为零,然后掉头向下,跟火箭啦炮弹啦一样一样的——而现在知道光速永远是30万,不可能为零;黑洞的原理就不用再啰嗦了,这两天烂了大街,就是星体周围空间被弯曲到变态弯,空间成了一个封闭单向大球,光波就跟赛道上的赛车一样,只能沿着赛道跑,有围栏,永远出不来。



所以,经典力学的“暗星”,跟广义相对论的“黑洞”,黑是一样的黑,洞却不是一个洞。


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经典力学预测的黑洞和现在的黑洞,其属性是不能相提并论的。并且如果承认经典力学的黑洞成立,那么相对论和量子力学就不能成立。原因介绍如下:

①经典力学的黑洞,当时被称为“暗星”

暗星的由来,早先是由18世纪的科学家米歇尔,当时在写给卡文迪许的一封信里提到的,认为宇宙中会不会存在一种引力极强的天体,连光线都无法在其表面逃离。相同的观点,法国科学家拉普拉斯也提过。


他们用的理论框架是牛顿力学,而且关于这个问题的思路和计算也不难。按照当时盛行的光微粒说:光是由一个个小微粒构成,因此一个小微粒的动能就是1/2mc^2,这是牛顿力学中的动能公式,其中c为光速

再加上相关逃逸速度的计算:光微粒逃离天体的过程就是克服引力的过程,因为只需将动能和引力势能之间做个关联即可

我们就能简单得到结论:动能=引力势能,随后就能得到暗星的最大半径=2GM/c^2,G是引力常数,M是暗星质量,c是光速

②那为何经典力学中的暗星不能成立呢?

通过上段我们可以发现,当时光微粒的动能表达式仍旧是牛顿力学中的形式,但实际上光微粒的动能在相对论中是mc^2的形式,其中m是光子的相对论质量,而相对论质量通过质能方程E=mc^2和量子力学中能量子假设E=hv(h为普朗克常数、v为频率)可知。

并且光子在暗星上的运动和地球上的抛石头类似,向上运动后,最后还的掉下来,也就是说光速是可变的,这与光速不变原理又不一致。

也就是说,当时拉普拉斯等人的计算过程存在明显的错误。所以经典力学的黑洞不能成立,否则相对论和量子力学就得推翻了。

③为什么说暗星的半径公式和现在的黑洞半径公式相同

第一部分我们提到了暗星的最大半径公式是2GM/c^2,而相对论中史瓦西黑洞的半径公式也是2GM/c^2,只能说这纯粹是一种巧合。史瓦西黑洞是基于广义相对论得到的结果(经典力学手段,在一系列错误的配合下,很巧的得到了相同的结论),并且相对论对于引力的理解也是和经典力学有很大区别的。

再说,如今黑洞的类型还不止一种,史瓦西黑洞仅仅是最简单的一种,还有克尔黑洞、克尔纽曼黑洞、雷斯勒-诺德斯特洛姆黑洞,这几种的区别在于电荷的携带和是否自转两方面上。而这些结论是经典力学所给不了的。


如果再往深了说,一般黑洞是由恒星的衰亡产生的,而恒星的衰亡演化过程,经典力学也没法描述,总之,这个问题在细节上能涉及很多方面。

因此,总的来说经典力学预言的黑洞,是不存在的,仅仅是在某些部分上的描述和如今的黑洞类似。

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赛先生科普


其实,这个很专业的问题,一般性物理专业的大学生都基本是个空白,所有没有人去对接这个非常的问题,对于非专业人士来说,几乎无话可说了!


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