浩瀚宇宙中有无数个天体,在众多天体里,没有哪个天体比黑洞更诡异更不可思议。黑洞,是一个现代物理定律完全无法描述的神秘天体,它的密度如此之大,以至于所有质量都集中到一个无限小的点,也就是奇点上,引力如此强大,可以吞噬一切靠近的物体,哪怕是光都无法逃脱黑洞的「魔掌」。
但这里就出现一个问题。我们都知道,有质量才会产生引力,而光是没有质量的,为什么还是会被黑洞吸引呢?
首先我们来简单了解一下黑洞。虽然现代物理学定律无法描述黑洞的具体特征,尤其是黑洞的内部世界,但我们早就知道黑洞的诞生过程。
黑洞,通常是大质量恒星死亡之后,物质急剧向内坍缩形成的,超强的引力可以把所有物质都压缩到一个体积无限小的致密小点,奇点。
由于黑洞奇点的体积无限小,意味着黑洞的密度无限大,正因为如此,黑洞才会产生超强的引力,以至于任何物体一旦越过黑洞的事件视界, 结果 就是有去无回,再也不可能逃离黑洞。
光速虽快,每秒可达30万公里,但这样的速度在黑洞面前也显得苍白无力。以光速飞行的物体,恰好可以在黑洞事件视界上围绕黑洞运行,不被吞噬也不能逃离黑洞。如果想要逃离黑洞,就必须超过光速,而超光速在我们的四维空间又是不被允许的。
可以这么通俗理解,黑洞的逃逸速度超过了光速,但我们的宇宙存在光速限制,因此任何物体一旦掉进黑洞,就会被彻底吞噬。
了解了黑洞的特点,我们再从牛顿经典力学来看看万有引力作用。牛顿的万有引力定律表明,引力的大小与质量成正比,与距离的平方成反比。
同时,万有引力定律还表明,引力作用是瞬间传递的,说白了引力是超距作用。
但随着物理学的不断发展,科学家们发现并不是那回事,如果引力是超距作用,会有很多大自然现象无法解释,会产生一系列的矛盾。
时间到了20世纪初,爱因斯坦提出了伟大的相对论,让我们在更深的层次了解了引力的本质。
在广义相对论体系下,爱因斯坦把引力描述为时空弯曲,引力只是时空完全的一种几何现象,说白了引力只是表象,时空弯曲才是本质。而且,质量越大,对周围时空的弯曲程度越高。
这里需要强调一下,网络上对时空弯曲的描述的示意图,很多都有局限性,容易让大家造成误解。很多示意图会把时空弯曲描述成类似弹簧床受到重物压缩的情况,实际上并非如此,示意图的初衷只是想让大家更通俗的理解何为弯曲,其实并不严谨。在太空中并不存在「上下」概念,时空当然不可能向下弯曲。其实时空弯曲的方向是朝向物体的质心。
再来说说光子。我们通常讲的「光子没有质量」,更严谨来讲应该是「光子没有静质量」。因为光子一出生就以光速飞行,没有任何加速过程,而且永远会以光速飞行,因此光子没有静质量。
但根据爱因斯坦的质能方程,光具有能量,而能量也可以表现为质量,因此光子拥有动质量。
光子的动质量虽然很小,但架不住黑洞无限的密度,同样能吸引靠近的光子,让光子有去无回。
而从时空弯曲的层面来理解黑洞吞噬光子的过程,其实会更简单。因为黑洞能无限压缩周围的时空,相当于把时空压缩成一个无限深的「重力井」,而宇宙万物总是会沿着弯曲的时空做测地线运动。
当光子飞行到被黑洞无限压缩的「重力井」时,由于这个「重力井」无限深,虽然光子的速度很快,但怎么飞也不可能飞出去,在无限面前,再快的速度都会显得很苍白。
当然,并不是所有的天体都拥有黑洞那样强大的影响力,一般的天体对时空的影响是很有限的,我们也不可能直观感受到天体引发的时空弯曲,多数情况下只能通过精密的仪器才能观测到时空弯曲。
比如说,利用精密仪器,科学家们早就观测到了太阳附近的光线会发生弯曲,这种现象也被称为引力透镜现象,是广义相对论的有力证据之一,很好地向我们展示了时空弯曲引发的引力透镜。
总结
光子被黑洞吞噬,其实可以用时空弯曲现象通俗理解,就相当于包括光子在内的任何物体掉进了一个无限深的「深坑」里,怎么爬都爬不出来。要想爬出来,理论上只能以超光速飞行才可以,但超光速恰恰又是大自然不允许的!