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光和引力誰跑得快?宇宙大爆炸告訴我們,引力比光快38萬光年!

 星辰大海種花家 2019-09-05

準(zhǔn)確的說,太陽的光子傳播范圍不可能超過太陽的引力范圍,聽上去似乎是光子必須在引力這個(gè)保鏢保駕護(hù)航的條件下才能傳播,但事實(shí)上兩者卻沒有半毛錢關(guān)系,我們來簡單討論下這個(gè)有趣的話題。

一、太陽是怎么發(fā)光的?

要理解太陽是怎么發(fā)光的,我們必須來簡單了解下太陽的誕生過程,因?yàn)檫@個(gè)過程會(huì)跟未來的光子與引力的范圍相關(guān)。

1、原始星云階段

康德-拉普拉斯星云說給我們解釋了太陽的由來,當(dāng)然現(xiàn)代天文觀測驗(yàn)證了這個(gè)模型,這表示至少在宇宙中有和我們想象中的太陽系誕生方式。

阿卡塔瑪毫米波/亞毫米波觀測到的20個(gè)原始行星盤,這里吃瓜群眾可能會(huì)很好奇,為什么要用亞毫米波來觀測?因?yàn)檫@些天體在尚未正式開始發(fā)剛(或者光線極其暗淡),但在紅外和電磁波段的世界與我們可見光波段看到細(xì)節(jié)可能更豐富,比如M81的觀測就很能說明問題。

左側(cè)圖像是可見光波段的M81成像,右側(cè)是21CM中性氫譜線對M81星系的觀測,兩者差異可不是一般的大,當(dāng)然眼見的您肯定發(fā)現(xiàn)了毫米波和圖中案例的21厘米差異巨大,這當(dāng)然會(huì)有,但種花家要說明的是射電波段觀測拓寬了我們的視野。值得提一下的是今年4月10日發(fā)布的M87*黑洞的照片就是半個(gè)地球的毫米波/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡陣列的杰作,當(dāng)然阿塔卡馬射電望遠(yuǎn)鏡陣列也榜上有名。

2、從星云的質(zhì)量中心到原恒星

從質(zhì)心的質(zhì)量增長開始,恒星會(huì)經(jīng)歷幾個(gè)階段,

褐矮星階段

當(dāng)中心質(zhì)量超過太陽的13倍時(shí),中心的引力勢能將會(huì)點(diǎn)燃氘聚變,但這并不會(huì)使褐矮星明顯發(fā)光,也許會(huì)有明顯的紅外輻射,但褐矮星搜索仍然比較困難,不過2013年發(fā)現(xiàn)的距離地球大約6.5光年的盧曼16就是一顆質(zhì)量約30±15 MJ(木星質(zhì)量)的褐矮星。

原恒星階段

在原始恒星盤塵埃帶墜入恒星之前,都是原恒星階段,之后恒星的主序星階段正式開始,但在超過80MJ時(shí)已經(jīng)開始發(fā)光,引力勢能足夠點(diǎn)燃中心的氫元素聚變,恒星正式開始發(fā)光。

從討論恒星的光和引力這個(gè)問題的話,恒星的誕生到這里就可以結(jié)束了,因?yàn)橹蟮暮阈前l(fā)展跟這個(gè)問題并無啥大關(guān)系,如果有興趣的朋友可以留言或者查看種花家的其他文章,有很詳細(xì)的過程說明。

二、為什么太陽光逃不出太陽的引力范圍?

我們從恒星的發(fā)展歷程中可以了解到,無論是星云的自身的金斯長度或者質(zhì)量導(dǎo)致的坍縮,都是先有質(zhì)量開始聚集,然后中心溫度逐漸升高,最終達(dá)到恒星內(nèi)核氫元素點(diǎn)燃的條件,因此在這個(gè)過程中,是先有質(zhì)量,后有光子。

廣義相對論告訴我們,引力是時(shí)空的幾何,簡單的解釋就是質(zhì)量會(huì)彎曲周圍的時(shí)空,當(dāng)質(zhì)量出現(xiàn)時(shí),周圍的時(shí)空就開始彎曲了,無論它質(zhì)量大還是小,唯一的差別是對時(shí)空彎曲的程度不一而已。

那么光和引力誰逃不出誰的范圍就有答案了,因?yàn)橐鬟f的速度和光一樣,都是光速!而引力首先出現(xiàn),光則隨后才出現(xiàn),因此從這個(gè)角度來理解,引力先跑當(dāng)然跑的更遠(yuǎn)了,在這里我們可以得出一個(gè)簡單的結(jié)論,光子永遠(yuǎn)都在引力的范圍內(nèi)。

三、光真的逃不出引力范圍嗎?

其實(shí)也未必,關(guān)于光的誕生我們有幾個(gè)方式,而其中一個(gè)就是由微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輻射所致,但問題是只要在絕對零度(-273.15℃)之上,就會(huì)有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生,而這些基本粒子的運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生所謂的“溫度”,這輻射的介質(zhì)就是光子,也就是說,引力和光子幾乎是同時(shí)誕生的。那么如何來區(qū)分誰先誕生呢?物質(zhì)世界已經(jīng)沒有辦法了,我們只能求助于宇宙大爆炸,盡管這是一個(gè)假設(shè),但這個(gè)假設(shè)模型取得了多方的印證,姑且我們就信了它的鞋吧。

關(guān)于宇宙大爆炸

10的-43次方秒時(shí),首先分離的四種基本作用力中的引力

10的-36次方秒時(shí),強(qiáng)作用力也被分離出來了

10的-12次方秒時(shí),電磁力和弱力也被分離出來

至此構(gòu)建宇宙的四大基本作用力都分離完畢,那么我們可以區(qū)分先后順序了!

在標(biāo)準(zhǔn)粒子模型中,光子是玻色子,我們知道玻色子是用來粘接物質(zhì)大廈磚塊費(fèi)米子之間的粘合劑,它是電磁力的傳遞者,很明顯我們發(fā)現(xiàn)引力是最早誕生的,而電磁力則明顯要晚很多,那么很抱歉,在宇宙誕生的第一回合,光就輸了!

關(guān)于宇宙微波背景輻射

傳播電磁力的光子誕生了,那么它就出發(fā)遨游宇宙了嗎?很抱歉不能,因?yàn)榇藭r(shí)的宇宙就像一鍋濃稠的粥,光子在里面根本就出不來,等宇宙慢慢冷卻,空間逐漸膨脹,光子退耦后的時(shí)間大約在宇宙大爆炸后38萬年后,此時(shí)光子才掙脫宇宙的牢籠,得以歡快的在宇宙中穿行。

因此在這個(gè)角度上理解,引力至少比光子先跑38萬年,也就是說引力的范圍永遠(yuǎn)都比光子大38萬光年。當(dāng)然我們俗稱的快也就是誰跑得更遠(yuǎn)了,各位不要誤解哈,兩者傳播速度其實(shí)還是一樣的。

四、有光都逃不出的天體嗎?

光逃不出引力范圍和光逃不出去的天體,看起來有點(diǎn)類似,但性質(zhì)卻完全不一樣,前者是我們的宇宙,后者則是我們宇宙中黑暗天體-黑洞!

黑洞其實(shí)并不是質(zhì)量足夠大,而是它在足夠的質(zhì)量上尺寸足夠小,因此在計(jì)算的時(shí)候你會(huì)發(fā)現(xiàn)在它距離無限小的某個(gè)位置,會(huì)有一個(gè)連光都無法逃逸的距離,這個(gè)就是黑洞的視界,理論上只要質(zhì)量大于普朗克質(zhì)量的物質(zhì)就有坍縮成黑洞的可能。但在宇宙中一般只有超過了奧本海默極限的天體(大約太陽質(zhì)量的3倍以上)才可能坍縮為黑洞。

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