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有質素才會產生重力,光子沒有質素,為何黑洞還能吸引光子呢?

2024-02-08科學

浩瀚宇宙中有無數個天體,在眾多天體裏,沒有哪個天體比黑洞更詭異更不可思議。黑洞,是一個現代物理定律完全無法描述的神秘天體,它的密度如此之大,以至於所有質素都集中到一個無限小的點,也就是奇異點上,重力如此強大,可以吞噬一切靠近的物體,哪怕是光都無法逃脫黑洞的「魔掌」。

但這裏就出現一個問題。我們都知道,有質素才會產生重力,而光是沒有質素的,為什麽還是會被黑洞吸引呢?

首先我們來簡單了解一下黑洞。雖然現代物理學定律無法描述黑洞的具體特征,尤其是黑洞的內部世界,但我們早就知道黑洞的誕生過程。

黑洞,通常是大質素恒星死亡之後,物質急劇向內塌縮形成的,超強的重力可以把所有物質都壓縮到一個體積無限小的致密小點,奇異點。

由於黑洞奇異點的體積無限小,意味著黑洞的密度無限大,正因為如此,黑洞才會產生超強的重力,以至於任何物體一旦越過黑洞的事件視界, 結果 就是有去無回,再也不可能逃離黑洞。

光速雖快,每秒可達30萬公裏,但這樣的速度在黑洞面前也顯得蒼白無力。以光速飛行的物體,恰好可以在黑洞事件視界上圍繞黑洞執行,不被吞噬也不能逃離黑洞。如果想要逃離黑洞,就必須超過光速,而超光速在我們的四維空間又是不被允許的。

可以這麽通俗理解,黑洞的逃逸速度超過了光速,但我們的宇宙存在光速限制,因此任何物體一旦掉進黑洞,就會被徹底吞噬。

了解了黑洞的特點,我們再從牛頓經典力學來看看萬有重力作用。牛頓的萬有重力定律表明,重力的大小與質素成正比,與距離的平方成反比。

同時,萬有重力定律還表明,重力作用是瞬間傳遞的,說白了重力是超距作用。

但隨著物理學的不斷發展,科學家們發現並不是那回事,如果重力是超距作用,會有很多大自然現象無法解釋,會產生一系列的矛盾。

時間到了20世紀初,愛因斯坦提出了偉大的相對論,讓我們在更深的層次了解了重力的本質。

在廣義相對論體系下,愛因斯坦把重力描述為時空彎曲,重力只是時空完全的一種幾何現象,說白了重力只是表象,時空彎曲才是本質。而且,質素越大,對周圍時空的彎曲程度越高。

這裏需要強調一下,網絡上對時空彎曲的描述的示意圖,很多都有局限性,容易讓大家造成誤解。很多示意圖會把時空彎曲描述成類似彈簧床受到重物壓縮的情況,實際上並非如此,示意圖的初衷只是想讓大家更通俗的理解何為彎曲,其實並不嚴謹。在太空中並不存在「上下」概念,時空當然不可能向下彎曲。其即時空彎曲的方向是朝向物體的質心。

再來說說光子。我們通常講的「光子沒有質素」,更嚴謹來講應該是「光子沒有靜質素」。因為光子一出生就以光速飛行,沒有任何加速過程,而且永遠會以光速飛行,因此光子沒有靜質素。

但根據愛因斯坦的質能方程式,光具有能量,而能量也可以表現為質素,因此光子擁有動質素。

光子的動質素雖然很小,但架不住黑洞無限的密度,同樣能吸引靠近的光子,讓光子有去無回。

而從時空彎曲的層面來理解黑洞吞噬光子的過程,其實會更簡單。因為黑洞能無限壓縮周圍的時空,相當於把時空壓縮成一個無限深的「重力井」,而宇宙萬物總是會沿著彎曲的時空做測地線運動。

當光子飛行到被黑洞無限壓縮的「重力井」時,由於這個「重力井」無限深,雖然光子的速度很快,但怎麽飛也不可能飛出去,在無限面前,再快的速度都會顯得很蒼白。

當然,並不是所有的天體都擁有黑洞那樣強大的影響力,一般的天體對時空的影響是很有限的,我們也不可能直觀感受到天體引發的時空彎曲,多數情況下只能透過精密的儀器才能觀測到時空彎曲。

比如說,利用精密儀器,科學家們早就觀測到了太陽附近的光線會發生彎曲,這種現象也被稱為重力透鏡現象,是廣義相對論的有力證據之一,很好地向我們展示了時空彎曲引發的重力透鏡。

總結

光子被黑洞吞噬,其實可以用時空彎曲現象通俗理解,就相當於包括光子在內的任何物體掉進了一個無限深的「深坑」裏,怎麽爬都爬不出來。要想爬出來,理論上只能以超光速飛行才可以,但超光速恰恰又是大自然不允許的!