茫茫宇宙,最快不过光速,最神秘不过黑洞,在现代物理学中,光速和黑洞一直以来都是热门的话题,黑洞是一个密度可以大到连光都无法逃逸的一种天体,可以吞噬一切物质,而光具有目前真空中传播最快的速度。黑洞可以吞噬一切物质, 那为什么连光都无法逃脱呢?
但有质量才有引力,光没有质量,黑洞为什可以吸住光?
先来认识一下黑洞,其产生过程类似于中子星的产生过程,就是说如果一个恒星在准备灭亡时,核心在自身重力的作用下会迅速地收缩,塌陷,发生强力爆炸,而当核心中所有的物质都变成中子时,收缩过程就会立即停止,被压缩成一个密实的星体,同时也压缩了内部的空间和时间。
但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,连中子间的排斥力也无法阻挡,中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,直到最后形成体积无限小、密度无限大的一种星体。
而正是由于黑洞的体积小密度高,所以它产生的引力场极为强大,以至于任何物质进入到黑洞内,便会被吞噬掉,我们都知道光速可以说是事物的最极限运动速度,达到了3*10^8m/s,但是黑洞的脱离速度竟然超过每秒 30 万公里。
因此,我们可以看出在黑洞面前光速也只能算作“龟速”,众所周知,世界上没有任何东西可以跑得比光还快,但是光都无法离开黑洞的表面,天文学家们也曾断言几乎没有光子能逃脱黑洞的吸引与追捕,任何靠近它的物体都会被吸进去。
并且,我们要知道黑洞的质量是非常大的,没有上限,根据科学家们的探究发现黑洞引力的影响范围的关键在于其黑洞质量的大小,也就是说黑洞的质量越大,其引力的影响范围也就越大,一般来说黑洞的质量都是非常大的,那么引力的影响范围可想而知!
回到问题中,要想搞明白这个问题需要从本质上来理解,首先就是牛顿经典力学的万有引力定律。
万有引力定律是经典力学中的代表,在宏观,低速领域都能完美的解释。
其表达的是:任意两个质点之间都存在相互吸引的力,大小和质量之积成正比,和距离成反比。
按照定义,我们可以得出,引力的作用效果是瞬间产生的,也就是说:引力是超距作用的。
但随着物理学的发展,万有引力定律的弊端也逐渐显现出来,比如万有引力定律无法解释为什么所有的物质引力质量和惯性质量相同等等现象。于是到了1907年,爱因斯坦提出了广义相对论,将牛顿的万有引力定律和狭义相对论进行了,从而解决万有引力定律的局限性。
引力的本质
在爱因斯坦的广义相对论中,把引力描述为:引力是质量扭曲时空的几何现象,而且还指出物体会使周围的时空发生弯曲,如果物体质量大,那么造成的时空曲率就越大,反之,物体质量小,所造成的时空曲率就越小,即便是光在经过大质量物体的时候,传播路线也会发生弯曲。
因此,引力的本质就是时空的弯曲。
在物理学中,质量表达的是物体所含物质的多少,其数值并不会因为物体的状态、形状和位置而发生改变,是物体的基本物理属性之一,而光其实是有质量的。
关于光没有质量的这种说法并不准确,实际上应该说光没有静止质量。根据爱因斯坦的质能方程E=mc^2,光虽然没有静止质量,但它却具有动质量,其质量可以表达为m=E/c^2,在研究微观粒子时(尤其是做粒子对撞实验过程中),就可以这样表述质量的大小。
对于光来说,由光子所组成,而光子从出生时就具有最高的运动速度,并且没有加速过程,这也就是相对论中所说的没有静止质量,但在真空中却有着恒定的运动质量,因此光是有质量的。
黑洞为什么可以吸住光呢?
上面已经说到了光虽然没有静止质量,但它却具有动量。
光是由光子组成,而且其中每个光子都携带着能量,公式为E=hν,当光子以光速运动,就产生了动能,根据质能等价转换E=mc2=hν,我们可以得出单个光子质量是m=hν/c2,也就是说光子也是有“质量”,自然光就会受到万有引力的影响。
我们要知道在物理学中,光总是以直线在时空中前进,但是黑洞作为宇宙内引力最强大的天体,严重弯曲了时空,进而导致每秒30万千米的光在经过黑洞周围时,传播路线也会发生改变,进而被吞噬,严格意义上来说,所谓的黑洞吞噬光,其实就是扭曲。
之前我们已经说了,黑洞是目前我们人类已知的最大引力场,而我们宇宙的本质是几何构造,任何的天体只需要引力达到一定,它就可以对空间进行扭曲,光也会受到万有引力的影响。
这样一来,在空间弯曲后光线也就弯曲了,再加上如果物体的速度达到11.2km/s的第二宇宙速度时候,也可以被称为逃逸速度,那么就能挣脱地球引力的束缚前往太阳系其他天体,但是对于黑洞来说,他的逃逸速度已经超越光速,因此具有动质量的光只能被黑洞吞噬,从而无法逃逸出去。