光是“自愿”走进黑洞的,当它越过黑洞视界,时空的方向都指向黑洞中心,无路可选,只能进入黑洞。下面聊聊到底怎么回事:
牛顿的引力
对于引力的认识,很多人是听说了牛顿与苹果的故事。苹果落地是因为地球对它的吸引,这个吸引作用称之为万有引力。
引力使物体产生向下“掉”的趋势,有一句话叫做站得高,(niao)扔得远,例如你在山顶上,向水平方向扔出一块石头和在山脚下扔一块石头,石头出手时初速度相同,山顶出手的石头肯定飞得更远。
因为山顶海拔高,给了石头足够的下降空间,延迟了石头落地的时间,为石头水平方向上飞行赢得了更多的时间,速度相同,飞行时间越长,飞得越远。
地球是个球体,如果石头初速度足够大,那么石头就有可能飞离地球,就像下面这样。
图:石头能够飞离地球的速度叫做第二宇宙速度(11.2km/s),也叫地球的逃逸速度。能否逃逸只和石头的初速度有关,和石头质量大小无关。
图:逃逸速度公式推导
不同星球的逃逸速度不同,取决于星球的质量与天体半径的比值,意味着质量越大,体积(半径的立方)越小的星球,越难以逃逸(黑洞:这不就是在说我嘛,任何物质,包括光都不行)。
石头的质量与它能不能逃离星球无关,它的质量大小只是决定了需要获得多少能量才能达到逃逸速度。例如:你让国足踢铅球和足球,如果要让这两种球达到相同的飞行速度,踢铅球肯定要更使劲。
如果某个天体质量为M,当我们把光速代入逃逸速度公式时,可以得到一个光都无法逃离的半径,意味着只要我们把这个天体使劲“挤压”,让它的半径小于R,那么在它的表面光就无法逃离,而黑洞都是这样的存在。距离圆心R为半径的球体表面称之为视界,任何物体越过视界,都无法逃离,包括光。由于光线无法传出,所以看起是黑色的,因此黑洞叫做黑洞。
综上所述:光子无法逃离黑洞与质量无关,只是因为黑洞质量太大,体积太小,导致逃逸黑洞所需的速度大于光速。然而,这并非唯一的解释,爱因斯坦的解释比牛顿更好,在爱因斯坦看来,任何物质都是有质量的。
爱因斯坦的质量与引力
光子有能量,所以有质量
1905年,爱因斯坦发表狭义相对论,用杨振宁教授的话来说:这是人类对能量、质量、空间、时间的认知革命。其中质能方程:
描述了质量只是能量的另外一种形式,是物体固有的性质,反过来说能量也是质量的一种形式。光子虽然没有静态质量,但是它有动能,即有动质量。
图:光子的质量计算,与光的频率或波长有关
不过,爱因斯坦对引力的解释也不需要光子有质量。
引力不是力,是时空弯曲
1916年,爱因斯坦发表广义相对论描述了引力现象实际上是时空的几何效应,而非力的作用。美国物理学家惠勒是这么解释的:
物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。
1919年,爱丁顿和戴森团队拍摄到了日食的照片,发现原本位置在太阳背后的星光出现在了照片中,这意味着星光经过太阳时发生了偏转绕到了前面来,从而证明了广义相对论中的时空弯曲理论。这个偏转并非源于太阳,而是源于太阳质量压弯的时空。
光子运动时,如果时空曲率为零,那么光子的路线就是笔直的。越致密的物体,造成的时空扭曲越剧烈,而黑洞是宇宙中最致密的物体,一旦越过黑洞的视界,时空的方向都会指向黑洞的中心,光只是顺着时空直线前线,因此当光子进入到视界之中,只能走黑洞中心,视界之内中没有任何一条时空之路是指向外界的。