光沒有質量,黑洞為什麼可以吸住光?

ataman


這個問題單純用牛頓萬有引力確實無法解釋,只有藉助愛因斯坦的相對論才能比較完美的解釋。

方法一:光子雖然沒有靜質量,卻有動質量。

根據大名鼎鼎的愛因斯坦質能方程:E=MC²,因為光子具有能量,所以它就應該有質量,這個質量就叫動質量。

既然光有質量了,當然就可以被黑洞吸住了,但這個解釋其實並不完美,因為嚴格來說這個所謂的動質量只是一個等效於質量的概念,可以說只是一個假象的質量。

因為光速要保持不變,光子就必須沒有質量,為了解決這個問題,愛因斯坦才提出了動質量的概念,與我們常說的靜質量具有等效的物理價值。

等效但畢竟不是啊,這樣的解釋難免給人一種混淆的概念,有投機取巧的嫌疑。

方法二:廣義相對論的時空觀,沒有引力,只有扭曲的空間與時間。

廣義相對論把引力用更直觀的空間幾何變化來表現。在愛因斯坦看來根本沒有什麼引力,所謂的引力實際上是大質量天體對時空的扭曲。

不管是天體還是光,都在時空中運動,時空扭曲了,它們的運行軌跡自然就跟著改變了,實際上它們都在“勻速直線運動”,或準確地說按空間的測地線(也叫短程線)運行。

地球圍繞太陽轉,是因為太陽的質量將它周圍的空間扭曲,地球運行的測地線剛好在某個位置被扭曲了一個圈,就是地球的公轉軌道。



而黑洞巨大的質量把時空扭曲地更加嚴重,在它的史瓦希半徑內,即事件視界內,所有的測地線都向中心的奇點扭曲,並無限延伸,所以使光無限“向下”墜(這裡說的“向下”是指垂直於三維的第四空間維度),看起來就像光被黑洞吸收了。

上圖只是一個近似的平面概念圖,並不是真正的扭曲狀態。

實際上是光自己進入的,就像地球自行圍繞太陽轉一樣。

這樣就完美解釋了,為什麼沒有質量的光會被黑洞所吸收。

總結一下

物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動,而黑洞代表了時空彎曲的極限,光代表了物質運動的極限。

物質終究逃不過時空的束縛。


想法捕手


在真空中,如果沒有障礙物,那麼光沿直線運動。

而我們的空間會被引力扭曲,從而「直線」也會被扭曲。

直線的定義是兩點之間最短的一條曲線,這個定義在歐幾里得的平直空間中成立,在非歐幾何中也成立。



我們所處的空間,由於會被引力扭曲,所以其實需要用黎曼幾何來描述,而在這個公理體系下,直線是可以看起來「彎曲」的。

有一種常見的不嚴謹的說法,是「光具有動質量」,這個說法非常奇怪,因為在物理學中沒有「動質量」這個說法。當然,我們可以用能量以及質能方程計算出對應的質量,但如果混淆了,就會出一些問題。

當然,計算對應的質量在有些地方是比較方便的。比如從地面射一束激光出去,在高空觀測到的頻率會有偏移,如果用幾何方法算,那就會非常複雜。但如果用質能關係計算,過程就會非常簡潔。


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