中子星的表面重力是地球的7000亿倍,掉向它的物体超光速吗?

实际上,这个问题很明显,我们都知道爱因斯坦的相对论有两条假设,其中一条就是光速不变原理,通过光速不变原理,我们可以得到在我们的宇宙中物质、信息、能量的传递不可能超过光速。

因此,无论中子星的引力如何巨大,都不可能使物质的速度超光速。具体是为什么呢?

我们可以先从中子星说起。

中子星

中子星是宇宙中极其恐怖的天体之一,是属于仅次于黑洞之外的那种恐怖。那中子星到底是咋来的呢?

我们要从原子结构说起,我们初高中经常会看到下面这种图这样的原子结构。

实际上,这样的原子结构是有问题的,也常常误导了很多人。这里最大的误区是电子和原子核的大小。上世纪早期,有个叫做卢瑟福的人做了一个α粒子轰击金箔的实验。

他发现,几乎所有的α粒子就直接打穿了,只有极其少的会发生偏折。那这个告诉我们什么呢?

这说明原子内部几乎是空心的。原子核和电子其实小到我们无法想象的程度,如果原子有足球场那么大,那么原子核就只有蚂蚁那么大。因此,真实的原子模型接近于下面这样,外面这圈黑影是电子云,电子也不是绕着原子核转的,而是以概率云的形式出现。

这样的结论就带来一个问题,物质都是由原子构成的,原子几乎是空心的,这说明物质也几乎是空心的。也就是说,理论上存在足够大的引力,是有可能把电子压入原子核内,让原子核排排座,挨在一起,这样原子内的空间也就被挤压没了。那真的存在这种情况么?

还真有,中子星就是这样的存在,如果一颗恒星大于10倍太阳质量,在它生命的晚期,内核在引力的作用下收缩,由于这时候的核心一般都是铁原子核构成的,很难发生核反应。

但由于内核的温度特别高,常常要达到50亿度,于是,光子拥有足够高的能量,就会击碎原子核,释放出自由的质子和中子,质子和电子发生反应生成中子和中微子。然后,在引力的作用下,这些中子被束缚到在一起,成为了一颗中子星。

中子星的密度之所以特别大就在于构成它的大部分是中子,而不是原子。中子之间是有一些距离,但远不如像原子之间和原子内部的空间。这些空间在中子上都不存在,所以中子是极其致密的,一勺中子星物质大概得有10亿吨。

根据广义相对论,引力的本质是时空的弯曲,由于中子星这样的致密度和质量,因此,中子星能让空间极度扭曲,而宏观上我们看就是引力特别大。

但我们要知道的是,引力理论上是没有范围的,但是它衰减的也很快,否则,只需要一颗黑洞,我们全宇宙都会被吸进去。所以,每个天体都有自己的引力范围。比如,我们的太阳系,太阳的引力范围大概是2光年的样子。

也就是说,中子星不可能把一个物体从无限远开始加速,而只能在一定的距离内给这个物体加速。

其次,我们只要仔细想一想就能知道,有一类脉冲星是中子星,我们可以实实在在地观测到脉冲星的信号,说明光是可以从中子星上跑出来的。(你可能会觉得很正常,但你想想黑洞就知道了,黑洞是可以吸引光的)

如果中子星真的有本事把物体加速到光速,那这个物体达到光速之后就可以摆脱中子星的引力束缚,也就是说,一个物体跑到中子星周围再出来,竟然额外得到了巨大的动能,那中子星岂不是可以当永动机来用,没了能量就让一个物体去走一趟,就能得到能量。这其实是不合理的。因为按照能量守恒定律,这一出一进本应该是不会或得到额外的能量的,所以这就自相矛盾了。

光速不变原理

当然,刚才我们只是从中子星自身来这个问题,实际上,我们还可以从相对论来入手。通过相对论进行推导,我们可以得到一个运动物体的质量的表达式,就是下面这样。

其中,这个m0代表的是物体静止时的质量,而m代表的是物体动起来后的质量。我们可以来仔细看一下分母的根号下的表达式,1-(v/c)^2,如果v>光速c,那么下面的分母就是负数,而我们知道负数开根号其实是复数,在实部没有意义。

我们还可以利用动能定理和一点微积分的数学工具,得到物体的动能表达式

根据这个表达式,我们至少能够得到两个结论:

如果,物体的静止质量m0=0,那么它就可以达到光速。

如果,物体的静止质量m0≠0,那么它就只能小于光速。如果要把一个静止质量不为0的物体加速到光速,那所需要的能量就是无限的。

目前来看,光速不变原理还是十分坚实的,100多年来,虽然科学家想尽一切办法要证明这个理论,但我们依然没能发现任何物质、信息、能量超过光速的情况。