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如果任何物質(zhì)都無法逃脫黑洞的引力,那么引力本身又是如何逃脫的

 斯郎曲培卓擁 2019-04-15

人們常常將黑洞描述為一個(gè)被 “事件視界”所包圍的奇點(diǎn),所有的質(zhì)量都聚集在那里(也可能不在那里?)?!笆录暯纭笔且粋€(gè)“高度”,在這個(gè)高度上,逃逸速度是光速。由于光速無法被超越,所以沒有任何東西可以完成逃逸。但是如果重力是黑洞“發(fā)射”出的,那么表現(xiàn)出的“重力”是如何被發(fā)出的呢?簡(jiǎn)而言之:重力不是由物質(zhì)“發(fā)射”的,而是時(shí)空在物質(zhì)和能量周圍表現(xiàn)的屬性。

如果任何物質(zhì)都無法逃脫黑洞的引力,那么引力本身又是如何逃脫的

我們先退后一步,考慮一下我們對(duì)黑洞的理解,以及我們對(duì)黑洞行為的所有預(yù)測(cè)來自何處。我們得到的結(jié)果是:我們對(duì)黑洞的理解,以及我們對(duì)它們奇異行為的所有預(yù)測(cè),都源于我們用來描述黑洞的數(shù)學(xué)。所以,對(duì)于題目所說的這個(gè)問題,數(shù)學(xué)上可以給出一個(gè)最簡(jiǎn)短無爭(zhēng)議的回答:沒有東西可以逃逸,而且引力不會(huì)“逃逸”到“持續(xù)”的程度。

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愛因斯坦的一切理論都是基于試驗(yàn)結(jié)果的。當(dāng)一次又一次的測(cè)試全都顯示:不管移動(dòng)方式是什么,光的速度始終如一時(shí),愛因斯坦據(jù)此提出了狹義相對(duì)論。

然而結(jié)果也表明,沒有任何實(shí)驗(yàn)?zāi)軌騾^(qū)分深空中靜止的漂浮和在重力作用下的加速(當(dāng)你墜落時(shí),你是失重的)之間的區(qū)別。于是,愛因斯坦大膽的提出:“如果墜落和漂浮沒有區(qū)別呢?”

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不提這引發(fā)的諸多諷刺。人們經(jīng)過十年的努力研究,以及大量的微分幾何處理(需要處理像地球表面這樣混亂的坐標(biāo)系統(tǒng),甚至是彎曲的時(shí)空)。終于將這些語句轉(zhuǎn)化為有用的數(shù)學(xué)符號(hào),得出了“愛因斯坦場(chǎng)方程”。他還有另一個(gè)與愛因斯坦有關(guān)的名字:臭名昭著的教授場(chǎng)。

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從技術(shù)上講,這是16個(gè)方程(μ和ν是各取4個(gè)值的指數(shù)),但是有一些技巧可以將其簡(jiǎn)化為更穩(wěn)定的6個(gè)方程。

這個(gè)可怕的混亂的左側(cè)描述了時(shí)空的形狀,并將其與右側(cè)聯(lián)系起來,右側(cè)描述了存在的物質(zhì)和能量的數(shù)量(特別是物質(zhì))。這個(gè)方程基于兩個(gè)原則:“物質(zhì)和能量會(huì)制造重力……雖然不知他們?yōu)楹慰梢浴焙汀爱?dāng)你感覺不到任何方向的推或拉時(shí),你在做直線運(yùn)動(dòng)”。這種推或拉由加速度計(jì)是否可以測(cè)量出數(shù)值來定義。因此:衛(wèi)星不會(huì)加速,因?yàn)樗鼈兛偸亲杂上侣?。而站在地球上的你正在做加速運(yùn)動(dòng),因?yàn)槿绻隳弥粋€(gè)加速度計(jì),它會(huì)有9.8米/平方秒(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地球重力)的示數(shù)。這不奇怪嗎?自由下落物體(甚至是軌道物體)的路徑是一條穿過非平面時(shí)空的直線。

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從彎曲思維的怪異中走過去;這個(gè)方程,以及所有的相對(duì)論數(shù)學(xué)機(jī)制,對(duì)于我們能夠測(cè)試的每一個(gè)得到的預(yù)測(cè)都完美貼合。因此,實(shí)驗(yàn)研究給了廣義相對(duì)論一個(gè)有力的支持。它不僅僅是因?yàn)槠炼皇褂?教導(dǎo)/相信,還是因?yàn)樗梢越忉尙F(xiàn)象。

特別強(qiáng)調(diào),描述的曲率不僅取決于“物質(zhì)”的存在,還取決于附近時(shí)空的曲率。重力不是從某個(gè)遙遠(yuǎn)的源頭發(fā)射出來的,而是你現(xiàn)在居住的空間的一種屬性,也就是你現(xiàn)在所處的位置。這是從“紙上保齡球”演示試圖得出的重要一點(diǎn)。

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所以重點(diǎn)就是,重力只是時(shí)空“形狀”的問題。它不僅受物質(zhì)和能量的影響,也受附近時(shí)空形狀的影響。如果你遠(yuǎn)離一顆恒星(或者其他什么東西),你所體驗(yàn)到的重力不是直接來自那顆恒星,而是來自你所處的那片空間。結(jié)果表明,如果恒星變小并且質(zhì)量不變,那么你所在的空間形狀就保持不變(只要你保持相對(duì)靜止,物體的密度與它的重力無關(guān))。即使這個(gè)物體坍縮成黑洞,它周圍的重力場(chǎng)也會(huì)保持不變;時(shí)空的形狀是穩(wěn)定的,并且非常樂意保持原樣,即使最初產(chǎn)生它的物質(zhì)正在做像黑洞一樣詭異的事情。

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這玩意兒真的很難直接摸索。我們真正得到的只是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果,這些東西帶來了一些簡(jiǎn)單的陳述,和一些令人討厭的數(shù)學(xué)?;诖耍覀兛梢缘玫揭恍┝钊梭@訝的預(yù)測(cè)(包括關(guān)于黑洞的預(yù)測(cè)),迄今為止,這些預(yù)測(cè)已經(jīng)支持了我們所能做的所有已知黑洞的觀察結(jié)果(這是很困難的,因?yàn)樗鼈兒馨?,很小,最近的距離大約是8000光年遠(yuǎn),這可不是步行能達(dá)到的距離)。也就是說:拿出數(shù)據(jù)比讓人理解更容易,不過數(shù)據(jù)也不是那么好算出來的。

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因?yàn)閳D中所述內(nèi)容均為真實(shí),所以才會(huì)顯得好笑, 雖然可能沒必要提,不過漫畫出自XKCD哦。

壞消息就是,在物理學(xué)中,就算我們能用數(shù)學(xué)表示的很好,但是如果沒有大量的測(cè)試、驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn),就不應(yīng)該相信數(shù)學(xué)推算能夠預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)(這也是物理學(xué)的開端)。不幸的是,沒有任何信息能從地平線之外逃逸出來。因此,雖然我們有很多測(cè)試可以探究地平線以外的重力性質(zhì)(地球上的重力與地平線以上的重力的行為方式相同),但我們甚至在理論上都沒有辦法研究他們。奇點(diǎn)的存在,以及在這些極端情況下會(huì)發(fā)生什么,可能永遠(yuǎn)都是個(gè)謎。

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