为什么光逃不出黑洞,难道光没有质量也会受到引力?

关于引力目前有两个版本,第一个版本就是牛顿被树上掉下的苹果砸到的故事,然后就有了万有引力公式:引力是由于两个物体互相吸引产生的,大小与物体质量乘积成正比,与物体的质点间的距离成反比。

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牛顿的黑洞

由万有引力公式我们可以推导出:物体逃逸速度。地球的逃逸速度为11.2km/s(不计空气阻力),这个速度是一个临界值。

我们再地面上往外扔石头,无论怎么扔,石头都会落回地面,这是由于石头出手时的初速度小于11.2km/s,于是石头会在地球引力的作用下产生一个向着地球的加速度,于是石头不断减速,最终落向地面。如果初速度能达到逃逸速度,那么石头就不会回到地球上了,这个速度也叫第二宇宙速度是火箭逃离地球的速度。

为什么光逃不出黑洞,难道光没有质量也会受到引力?

下面是逃逸速度的公式,由公式我们可以看出来,是否能够逃逸和要逃逸的物体的质量没有太大关系,和地球质量及半径有关。

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宇宙中质量为王,质量及密度越大的物体,越是霸道。从逃逸公式中可以看出来,当一个体积很小,质量很大的物体的逃逸速度大于光速时,那么光也无法从中逃脱。我们把光速c带入逃逸速度公式,就可以求出来光逃逸的临界半径。

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当光与天体的距离小于这个半径时,那么光就无法逃逸,由于这个半径内无法反射出光线,所以我们的眼睛无法接受到这个半径内的信息,于是半径内,一片黑暗,我们就把这个黑洞洞叫做黑洞,把这个半径叫做光都逃不出的半径(下面还会用到)。

爱因斯坦的黑洞

第二个版本,爱因斯坦基于狭义相对论及等效原理,发表了广义相对论。广义相对论是描绘宇宙的理论,其中场方程是描述宇宙时空的方程。爱因斯坦认为引力是质量使时空发生了扭曲,而物体和光都在都扭曲的时空行进着,所以引力不是力,是一种现象,是几何性质。

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假设一个拥有初速度、不受任何力的小球,在没有任何物质影响的时空中,它会沿着最初的方向,最初的速度一直前进,永不停止。如果它前进的方向上有一个天体,那么天体的质量就会使时空发生扭曲,我们管这个扭曲时空叫做引力场。

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当小球进入到这个时空中,就沿着弯曲的时空,弯曲前进,如果没有足够的速度,小球可能就逃不出这个引力场。于是小球就会沿着引力场中的最短路线,也叫做测地线做匀速圆周运动。

不过,时空的扭曲并非上图所示,即使把上图颠倒过来看也成立。如果描述引力是时空的几何性质,那么就不能用牛顿的万有引力,他俩说的是一个事,但不能同时存在。天体的质量越大,越致密,时空越扭曲,我们用曲率来形容时空的扭曲程度。

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要说黑洞第一次准确的预测出来,就要说到一个人,叫做史瓦西。当爱因斯坦发表了相对论之后,史瓦西通过广义相对论,求出了一个最简单的解,这个解的含义是宇宙中可能存再一种球状天体,当天体的重力的半径小于这个解的半径时,那么这个天体就会发生坍塌,缩成一个体积无限小,质量非常大的天体,这个这个半径内由于时空极度扭曲,所有的物质包括光线都无法逃脱,所以就黑成了洞。

为什么光逃不出黑洞,难道光没有质量也会受到引力?

而这个解中的半径叫做史瓦西半径,和牛顿经典力学中的光速逃逸半径一模一样,但是其含义却完全不一样,第一个半径时通过牛顿万有引力求得的解,而史瓦西是时空扭曲,几何的解,或许是一种巧合,或许是冥冥中的注定。

为什么光逃不出黑洞,难道光没有质量也会受到引力?

当然理论并不能作为依据,广义相对论的观点是时空扭曲,并且光都可以扭曲。在广义相对论发表不久,就被证实了。英国天文学家爱丁顿,在观察到某个星团的运行轨迹之后,在日食到来拍摄了太阳附近的照片,发现在地球上可以看到这个星团,可是根据精确计算,这个星团应该被太阳遮挡到地球的后面,正常情况下我们是看不到的。那只有一种解释,那就是星团的光线,由于太阳的形成的引力场,使光线发生了扭曲,于是光线拐了个弯,绕过了太阳,射到了地球上,于是我们发现了它们。

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当然这只是最早的证明,目前我们已经拍摄到带着吸积盘的黑洞照片,除此之外也有大量的实验可以证明,理论上来说,广义相对论描绘的引力更加精确。

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光的质量

不管是牛顿的解,还是广义相对论的解,都没有涉及到光的质量,但其实光是有质量的。根据爱因斯坦的质能方程,质量就是能量,能量就是质量。物体运动的速度越快,相对质量也就越大。

为什么光逃不出黑洞,难道光没有质量也会受到引力?

光子的静质量为0,但光子具备能量,光子的能量由于波长不同所具备的能量也不用。

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当我们知道光子的波长就可以根据光子的能量公式求出光子的动质量。

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