光和引力谁跑得快?宇宙大爆炸告诉我们,引力比光快38万光年?

太阳的光子向外传播的距离可以超过它的引力范围吗?

准确的说,太阳的光子传播范围不可能超过太阳的引力范围,听上去似乎是光子必须在引力这个保镖保驾护航的条件下才能传播,但事实上两者却没有半毛钱关系,我们来简单讨论下这个有趣的话题。

一、太阳是怎么发光的?

要理解太阳是怎么发光的,我们必须来简单了解下太阳的诞生过程,因为这个过程会跟未来的光子与引力的范围相关。

1、原始星云阶段

康德-拉普拉斯星云说给我们解释了太阳的由来,当然现代天文观测验证了这个模型,这表示至少在宇宙中有和我们想象中的太阳系诞生方式。

阿卡塔玛毫米波/亚毫米波观测到的20个原始行星盘,这里吃瓜群众可能会很好奇,为什么要用亚毫米波来观测?因为这些天体在尚未正式开始发刚(或者光线极其暗淡),但在红外和电磁波段的世界与我们可见光波段看到细节可能更丰富,比如M81的观测就很能说明问题。

左侧图像是可见光波段的M81成像,右侧是21CM中性氢谱线对M81星系的观测,两者差异可不是一般的大,当然眼见的您肯定发现了毫米波和图中案例的21厘米差异巨大,这当然会有,但种花家要说明的是射电波段观测拓宽了我们的视野。值得提一下的是今年4月10日发布的M87*黑洞的照片就是半个地球的毫米波/亚毫米波射电望远镜阵列的杰作,当然阿塔卡马射电望远镜阵列也榜上有名。

2、从星云的质量中心到原恒星

从质心的质量增长开始,恒星会经历几个阶段,

褐矮星阶段

当中心质量超过太阳的13倍时,中心的引力势能将会点燃氘聚变,但这并不会使褐矮星明显发光,也许会有明显的红外辐射,但褐矮星搜索仍然比较困难,不过2013年发现的距离地球大约6.5光年的卢曼16就是一颗质量约30±15 MJ(木星质量)的褐矮星。

原恒星阶段

在原始恒星盘尘埃带坠入恒星之前,都是原恒星阶段,之后恒星的主序星阶段正式开始,但在超过80MJ时已经开始发光,引力势能足够点燃中心的氢元素聚变,恒星正式开始发光。

从讨论恒星的光和引力这个问题的话,恒星的诞生到这里就可以结束了,因为之后的恒星发展跟这个问题并无啥大关系,如果有兴趣的朋友可以留言或者查看种花家的其他文章,有很详细的过程说明。

二、为什么太阳光逃不出太阳的引力范围?

我们从恒星的发展历程中可以了解到,无论是星云的自身的金斯长度或者质量导致的坍缩,都是先有质量开始聚集,然后中心温度逐渐升高,最终达到恒星内核氢元素点燃的条件,因此在这个过程中,是先有质量,后有光子。

广义相对论告诉我们,引力是时空的几何,简单的解释就是质量会弯曲周围的时空,当质量出现时,周围的时空就开始弯曲了,无论它质量大还是小,唯一的差别是对时空弯曲的程度不一而已。

那么光和引力谁逃不出谁的范围就有答案了,因为引力传递的速度和光一样,都是光速!而引力首先出现,光则随后才出现,因此从这个角度来理解,引力先跑当然跑的更远了,在这里我们可以得出一个简单的结论,光子永远都在引力的范围内。

三、光真的逃不出引力范围吗?

其实也未必,关于光的诞生我们有几个方式,而其中一个就是由微观粒子的热运动产生的辐射所致,但问题是只要在绝对零度(-273.15℃)之上,就会有热运动产生,而这些基本粒子的运动就会产生所谓的“温度”,这辐射的介质就是光子,也就是说,引力和光子几乎是同时诞生的。那么如何来区分谁先诞生呢?物质世界已经没有办法了,我们只能求助于宇宙大爆炸,尽管这是一个假设,但这个假设模型取得了多方的印证,姑且我们就信了它的鞋吧。

关于宇宙大爆炸

10的-43次方秒时,首先分离的四种基本作用力中的引力

10的-36次方秒时,强作用力也被分离出来了

10的-12次方秒时,电磁力和弱力也被分离出来

至此构建宇宙的四大基本作用力都分离完毕,那么我们可以区分先后顺序了!

在标准粒子模型中,光子是玻色子,我们知道玻色子是用来粘接物质大厦砖块费米子之间的粘合剂,它是电磁力的传递者,很明显我们发现引力是最早诞生的,而电磁力则明显要晚很多,那么很抱歉,在宇宙诞生的第一回合,光就输了!

关于宇宙微波背景辐射

传播电磁力的光子诞生了,那么它就出发遨游宇宙了吗?很抱歉不能,因为此时的宇宙就像一锅浓稠的粥,光子在里面根本就出不来,等宇宙慢慢冷却,空间逐渐膨胀,光子退耦后的时间大约在宇宙大爆炸后38万年后,此时光子才挣脱宇宙的牢笼,得以欢快的在宇宙中穿行。

因此在这个角度上理解,引力至少比光子先跑38万年,也就是说引力的范围永远都比光子大38万光年。真是38万光年?其实并不能这样理解,因为宇宙暴涨时代可不是光速,而是比光速要高得多,那么当初38万光年的位置现在在哪里呢?大约位于451亿光年以外,而现代可观测宇宙范围则是465亿光年半径(直径930亿光年),所以我们用可见光子为媒介的探测方式根本就达不到465亿光年以外,之外的探测的唯一载体是引力波,因为引力比光走的更远。

四、有光都逃不出的天体吗?

光逃不出引力范围和光逃不出去的天体,看起来有点类似,但性质却完全不一样,前者是我们的宇宙,后者则是我们宇宙中黑暗天体-黑洞!

黑洞其实并不是质量足够大,而是它在足够的质量上尺寸足够小,因此在计算的时候你会发现在它距离无限小的某个位置,会有一个连光都无法逃逸的距离,这个就是黑洞的视界,理论上只要质量大于普朗克质量的物质就有坍缩成黑洞的可能。但在宇宙中一般只有超过了奥本海默极限的天体(大约太阳质量的3倍以上)才可能坍缩为黑洞。