一点都不深奥:为什么连光都逃不出黑洞?

什么是黑洞?

维基百科对于黑洞的定义是这样的:

黑洞(英语:black hole)是时空展现出引力的加速度极端强大,以至于没有粒子,甚至电磁辐射,像是光都无法逃逸的区域。

具体点,黑洞是现代广义相对论中,宇宙空间内存在的一种密度极大体积极小的天体。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后,发生引力坍缩产生的。黑洞的引力很大,连光都无法逃脱。其实黑洞并不“黑”,只是无法直接观测,但可以借由间接方式得知其存在与质量,并且观测到它对其他事物的影响。

密度极大,体积极小,引力极大以至于光都无法逃离,就是黑洞的特点。

如果你不小心正在被黑洞的引力拉向黑洞,你将会面临如下的命运:

接近黑洞时,被慢慢拉伸的你(图片来源:Saeed Mirshekari)

为什么总要提到光呢?

每次我们说起黑洞时,一定会提起“光都无法逃离黑洞”这句话,以此来形容黑洞的引力之大。

为什么总是提到光呢?而不是其他东西呢?

因为光的速度是最快的,而且物理学家认为光子在静止时,其质量为零,所以,如果连宇宙中最快最轻的物体都无法逃离黑洞,那么任何其他物体都无法逃离黑洞。

为什么就无法逃离呢?

百度百科关于黑洞的介绍里,在黑洞这个词条后面的括号里有一句话:

时空曲率大到光都无法逃脱的天体。

就是这句简明扼要的话,却蕴含着“为什么所有物体都无法逃离黑洞”的答案。

根据爱因斯坦广义相对论,我们身边的时空并非是平坦的,而是弯曲的,引力越大,弯曲的越大。

爱因斯坦在提出广义相对论之后,就预言遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。

1919年,在英国天文学家爱丁顿的组织下,英国派出了两支远征队分赴两地(一支到南美洲巴西的索贝瑞尔(Sobral),由戴森亲自领队;一支到非洲西岸的普林西比岛(Principe),由爱丁顿领导)观察日全食,经过认真的研究得出最后的结论是:星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。

这说明,太阳表面的时空是弯曲的,而弯曲的时空导致星光出现了偏转。

有很多人可能会受牛顿万有引力的影响,认为是引力直接把光给吸引过来的,导致了光线的弯曲,认为引力才是光线弯曲的因,光线弯曲是引力直接的果,它们之间是直接的因果关系。

根据这种因果关系,引力越大,光线越弯曲,而黑洞的引力趋向于无穷大,于是连光都无法逃离了。

可是,光是宇宙中最快的,最轻的物体,它怎么就逃离不了黑洞呢?

这样一种矛盾,用“是引力吸引导致了光线弯曲”的理论是无法解释清楚的,而且也无法解释另外一个问题:到底是什么导致了引力(也就是引力产生的原因)?

而爱因斯坦的广义相对论却完美的解决了以上问题。

广义相对论认为,由于有物质的存在,物质和时间(时空)会发生弯曲,时空弯曲的是质量(能量)造成的结果,万有引力是时空弯曲的表现。

由于质量越大,所造成的时空弯曲越大,光及其他一切物质,都要沿着这个弯曲的时空运动,表现出来就像是有引力牵引一样。

而质量极大的黑洞,在奇点附近所造成的时空弯曲也极大,大到这个时空弯曲成一个封闭的时空,以至于任何物体,都无法逃离。

这个时空被黑洞给弯封闭了。

这就有点像,如果你的力量足够大,大到足以把一根直直的钢筋给弯曲成一个封闭的圆,此时,圆内的东西,无论质量大小,速度多快,都无法逃离了。

所以,时空弯曲到封闭,才是光都无法逃离黑洞的真正原因。

参考资料:

弯曲时空(百度百科):

https://baike.baidu.com/item/%E5%BC%AF%E6%9B%B2%E6%97%B6%E7%A9%BA

如果你一不小心掉进了黑洞……(中科院物理研究所):

http://wls.iphy.ac.cn/emagazine/news.php?id=23781

黑洞(百度百科):

https://baike.baidu.com/item/%E9%BB%91%E6%B4%9E/10952

黑洞(维基百科):

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BB%91%E6%B4%9E

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