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回顧:如果任何物質都無法逃脫黑洞的重力,那重力本身是如何逃脫的

2024-10-17科學

綜述

關於宇宙總是有很多非常有意思的概念,對於我們一般人來說,因為不了解這背後的資訊,就更加覺得神秘非常了,比如黑洞,提到它,很多人印象中就是一個巨大的、像漩渦一樣可以把萬物都吸入其中的可怕存在,而且按照科學家的說法,任何物質都是沒有辦法逃脫黑洞的重力的。

但我們不禁要問,那麽重力本身又是如何逃脫的呢?

什麽是黑洞

先來看看黑洞是什麽,從字面上看,它很容被理解成 某個虛空的深坑 ,仿佛從這個時空通往其它地方的一個通道。

但是在物理學上, 科學家其實是將其定義為一種天體的 ,雖然我們目前對它的了解還不是那麽充分,但是從已有的資訊來看,它各方面的性質確實是符合天體的定義的,尤其是在廣義相對論的框架中討論時。

黑洞給人印象最深刻的地方當然就是它無往不勝的 超強重力 ,不管運動速度多快,都不能從它的手中逃脫。我們知道,當前時空執行速度最快的就是光,但是在面對黑洞的時候,它卻毫無抵抗之力,只能任憑自己被吸走,更別說其它的事物了。

關於黑洞的理論最早被提出來是在20世紀初,一位名叫史瓦西的天文學家透過計算而不是觀測找到了這樣一個界面的存在。

在他的描述當中,這個界面應該是出現在一個比較特殊的星體附近,而且這個星體本身的半徑必須要低於某個限定值,這個限定的數值後來也被命名為 史瓦西半徑

我們經常在影視劇當中看到對黑洞的描述和呈現,但是這些都是文藝創作和加工的結果,早期的時候,黑洞根本沒有辦法觀測到,

唯一能夠證明其存在的就是物理學家草稿紙上的一堆方程式式,或者借助其它一些資訊來間接證實。比如 它可能對周圍一些星體和物質產生的影響

直到21世紀初,人類才第一次拍到了黑洞的樣子,位置上,它跟地球的距離大概是5500萬光年, 也就是如果一束光從地面出發,要經過5500萬年之後才能抵達黑洞所在的地方 ,那裏也就是 室女座 附近,有一些相對集中的天體一起組成了一個星系。

根據科學家的預估,黑洞的質素非常驚人, 如果用太陽作比較,它幾乎相當於65億個太陽加在一起那麽重 ,這也跟它巨大的吸重力直接相關。從圖片上看,黑洞的中間位置又一個比較明顯的陰影區域,看起來似乎就是一個大洞,邊上圍繞著一些環狀的光線。

近幾年來,天文學對於黑洞的觀測越來越深入,也利用了一些前沿的科學技術不斷推進成像效果,在對黑洞的樣子越來越了解的同時,另外一個問題也一直被持續追問, 既然任何物質都無法從黑洞當中逃脫,那麽重力本身作為一種物質,又是如何實作獨立運動的呢?

相對論的解釋

要想解釋清楚這個問題,就要回到現代物理的經典理論,也就是相對論當中去。

兩百多年前,我們的物理學家在研究光的傳播時,借鑒了聲音傳播的性質,認為光也和後者一樣需要一個介質一樣的東西,但是隨著實證科學的發展,科學家在實驗室裏證明了這個判斷並不正確, 因為光不管在什麽樣的介質當中運動,都不會出現速度的變化。

這樣的發現佐證了光的運動不會因為外部空間中的變化而改變,所以愛因斯坦在他的狹義相對論中也將此重點提出來,作為整個體系的基礎。

但是隨著各方面研究的推進,他們也慢慢發現,狹義相對論並不能很好地解決各個方面的問題,最顯著的就是遇到 曲面時空 的時候,要想知道光在曲面時空當中是如何行動的,我們必須要引入新的理論內容,這其中就包括有後來對質素這個概念進行更進一步的區分,弱等效和強等效原理的厘清等等。

所有這些加起來,才有了相對論的第二階段,廣義相對論的誕生。

當然,理論的分析只是一個層面,要想解釋清楚一個問題,必須要實實在在用數碼表達出來,於是愛因斯坦便開始了尋找這個數碼的過程,計算的開始當然離不開方程式的建立。

在多番思考之後,愛因斯坦參考了黎曼的研究成果,尤其是對幾何方面的理論綜合,因為它也算是集合了前人的智慧,完成了從平面到立體再到曲面的過度,有利於在方程式中直接進行處理。

最後,愛因斯坦建構出來了一個最理想的方程式式,也就是著名的 場方程式

其中所包含的是整整 16個物理學上的公式, 愛因斯坦的工作就是把它們綜合在一起,讓它能夠在一定程度上描述時空和質素之間的關系。

從這個場方程式中,科學家也順利找到了重力的特殊性所在,它之所以能夠逃脫黑洞的作用,其實是因為在質素之外還有一個因素在作用於其上,那就是 它所存在於其中的時空,時空的狀態與重力是相互聯系的 後者不可能脫離前者而存在,在這個層面上,黑洞就會暫時失效了。

結語

當然,除了重力之外,黑洞也許還有其它一些不能征服的事物,只不過我們的觀測能力有限,還無法確定,總之這種看似無所不能的存在,也正在因為被揭秘而暴露出自己的弱點。