引力为什么要以光速传播?那它为何能逃离黑洞?

我们知道引力以光速运动;如果是这样的话,那么黑洞的影响如何能延伸到事件视界之外呢?也就是说,引力是怎样逃离黑洞的?如果说引力以不同于光的方式‘移动’,那它为什么会以同样的速度传播呢?

其实这个问题很简单,只是有些概念搞混了。引力并不是从黑洞逃离的,这里有个错误的概念,我们认为引力是由质量物体产生的,那质量物体为什么要产生万有引力呢?其实这个问题爱因斯坦已经给出了答案:它们不会直接产生万有引力,而是质量物体会扭曲时空,而扭曲的时空是产生引力的原因。记住,引力是扭曲的时空提供的,不是质量物体直接的结果。其实说到这里答案已经很明显了,你觉得呢?

引力为何能逃离黑洞?

关于质量/能量物体是如何影响时空的。通常我们会看到二维平面的表示,比如地球周围的空间,就像上图那样。或者我们也会看到这样的解释,引力就像一个保龄球放在一块橡胶薄板上,较重的物体在薄板上会造成较深的凹痕。

这些二维平面的比喻过于简化,因为这些凹痕发生在各个方向上,所以“凹痕”实际上是空间本身的三维扭曲。就像上图那样!但这些简化的图景说明了一个重要的问题:从根本上说,质量对空间本身会造成一种扭曲。我们经常用“引力井”这个词来描述空间的扭曲程度。

从数学上讲,引力的影响与物体的质量成正比,与距离的平方成反比。这种与距离平方反比的关系就产生了远离物体中心平滑的引力曲线(上图)。如果你离目标越近,引力井越深,因为质量物体会对附近空间扭曲的更严重,所以你会感觉到很强的引力。如果你离得很远,那么质量物体对空间的影响就越小(平方反比方式减小),所以你感受到的引力更弱。

上图,不管质量物体以何种形式存在,空间扭曲都会一直存在,只是扭曲程度不同而已,黑洞的引力井更深、更陡。而引力正是由空间扭曲产生的。跟黑洞没有直接的关系。因此,也不存在逃离黑洞这么一说。

一个质量物体对空间的扭曲总是存在的,例如,所有的行星都会对自己所在的空间产生扭曲,卫星在扭曲的空间中以椭圆轨道运行。太阳也有它自己更深的引力井,所有的行星都在围绕着扭曲的空间运行。太阳的运动又遵循着星系的空间扭曲。关键的一点是,质量物体不论以何种形态存在(恒星、中子星、黑洞),对空间的扭曲会一直存在,只是空间扭曲的程度不同而已,天体会随着密度的增加对其周围空间的扭曲就越严重,引力井会更陡。一块小气体云的质量可能与行星相同,但行星的引力井将比气体云更陡。引力井越陡,就需要越快的速度逃离,但要形成黑洞就需要极大的质量、也需要极高的质密度。

黑洞的视界面正是描述了,如果超过这个位置,黑洞的引力井甚至不允许光逃脱。但引力井本身就存在于事件视界面的内外,在事件视界之外空间只是扭曲得不那么严重了而已,并不是说在视界面之外,空间就平坦了,不再扭曲了,因此在视界面之外引力会一直存在。

能形成黑洞的恒星是质量最大的恒星,它们一般是蓝色的,温度极高,并且消耗燃料的速度非常快。这些恒星在成为黑洞之前,空间就已经变形了。恒星坍缩成黑洞时,其核心收缩、空间扭曲会变得更加强烈,这是一个缓慢转变的过程。

那引力为什么在光速极限下的“运动”呢?

这个问题可以分开考虑;虽然引力可以在无限的时间内传播到无限远,也就是空间的扭曲在不停地向外传播,其扭曲程度随距离平方的反比在减弱,但是光速限制了关于变化的信息在空间中的传播速度。

最常见的例子是,如果太阳自发消失(不是爆炸,而是完全消失)地球不会感觉到任何不同,直到大约8分钟后,才能看见阳光消失了。但地球也将继续围绕着不存在的太阳公转8分钟,因为由于太阳的存在,空间从扭曲到平坦的变化还没有到达地球。如果我们认为光速是信息传播速度的极限,而不是粒子速度的极限,那这个问题就更容易理解了。

然而,信息并不总是以光速传播,这取决于信息所经过的环境,以及信息的形式(并不总是光),信息传播的速度可以比光速慢得多。真空中的光速似乎是一个无法超越的极限,但如果信息是像声音一样的压缩波,那么信息在介质中就以声速传播。

想象一下打雷天,我们一般会在打雷几秒钟后听到雷声。因为光在空气中传播的速度比声音快,所以即使它们是同时产生的,也是光信息最先到达我们,而你离得越远,这种差异就越大。

光速在水中甚至比在空气中还要慢(慢1.3倍)。实际上,介质越密集,光在其中传播的速度就越慢。

现在回到引力速度!空间扭曲形状的改变也是在介质中传播的信息,而这个介质就是空间,它几乎是一个完美的真空,所以引力就会接近绝对信息速度的极限。据我们所知,引力的作用方式不会在真空中减速,所以它也应该以光速传递信息。如果声音能在真空中传播,那么它也会是光速。

引力其实是最不容易被理解的自然力之一;我们对引力的重要性有很好的描述,对引力的强度也有很准确的描述,但我们不知道引力是如何运作的。它是如何与物质相互作用的。是否存在一个粒子来调节它的相互作用?这个问题需要以后来回答。