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有質(zhì)量才能產(chǎn)生引力,光子沒有質(zhì)量,黑洞是如何吸引光子的?

 宇宙時(shí)空探索 2025-01-06 發(fā)布于遼寧

在廣袤無(wú)垠的宇宙里,有那么一種星體,它的存在挑戰(zhàn)著我們對(duì)宇宙的認(rèn)知,對(duì)物理學(xué)的理解,那便是黑洞。這些難以置信的神秘天體,集結(jié)了宇宙中最密集的物質(zhì),將一切質(zhì)量擠壓至一個(gè)無(wú)盡微小的區(qū)域,稱之為奇點(diǎn)。而它們的引力場(chǎng)之強(qiáng),甚至可以捕獲光線,讓黑洞變成了名副其實(shí)的“宇宙引力陷阱”。

這里出現(xiàn)了一個(gè)讓人不解的問題:我們通常認(rèn)為只有具有質(zhì)量的物體才能產(chǎn)生引力,而光并沒有質(zhì)量,那為何它會(huì)被黑洞所吸引呢?

讓我們先來(lái)粗略認(rèn)識(shí)一下黑洞。盡管現(xiàn)代物理學(xué)難以完整闡述黑洞的具體性質(zhì),尤其是其內(nèi)部的奧秘,但我們對(duì)黑洞的形成過程已有了較為深入的了解。

一個(gè)黑洞的誕生,往往以一顆質(zhì)量巨大的恒星終結(jié)生命為起點(diǎn),在物質(zhì)急劇向中心坍縮的過程中,無(wú)窮的引力會(huì)將一切物質(zhì)壓縮至一個(gè)體積近乎于零、密度無(wú)窮大的點(diǎn),即奇點(diǎn)。

正是因?yàn)楹诙雌纥c(diǎn)體積的微小,導(dǎo)致其密度無(wú)窮大,從而產(chǎn)生了超乎尋常的引力場(chǎng),使得一切越過其事件視界的物體,無(wú)論遠(yuǎn)近,都難逃其“引力魔掌”,永無(wú)歸途。

盡管光速高達(dá)每秒三十萬(wàn)公里,在黑洞面前卻也顯得無(wú)力抵抗。如果一個(gè)物體以光速繞黑洞飛馳,它恰好能沿著事件視界運(yùn)動(dòng),既不會(huì)被吸入,也無(wú)法逃離。想要擺脫黑洞的引力,唯有超越光速,然而,在我們的四維宇宙中,這是不允許的。

換言之,黑洞的逃逸速度超越了光速,然而受限于宇宙中的光速限制,一旦某物陷入黑洞,便注定被其無(wú)情吞噬。

當(dāng)我們對(duì)黑洞有了更深入的了解后,讓我們?cè)購(gòu)呐nD的萬(wàn)有引力定律角度來(lái)審視引力作用。牛頓的理論指出,引力的大小與物體的質(zhì)量成正比,與它們之間的距離的平方成反比。

此外,牛頓的理論還告訴我們,引力作用是瞬時(shí)的,或者說,引力擁有超距作用的特性。

然而,隨著物理學(xué)的發(fā)展,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),如果引力真的具有超距作用,很多自然現(xiàn)象將無(wú)法得到解釋,存在諸多矛盾。

時(shí)間推進(jìn)到20世紀(jì)初,愛因斯坦的相對(duì)論,讓我們對(duì)引力的本質(zhì)有了更深刻的認(rèn)識(shí)。

廣義相對(duì)論告訴我們,引力其實(shí)是時(shí)空彎曲的反映,時(shí)空的幾何性質(zhì)便是引力的實(shí)質(zhì)。換言之,引力僅是表象,時(shí)空的彎曲才是核心。質(zhì)量愈大,對(duì)周圍時(shí)空的彎曲程度愈甚。

這里需要澄清的是,關(guān)于時(shí)空彎曲的示意圖,很多都存在誤導(dǎo)性。例如有的示意圖將時(shí)空彎曲比喻為彈簧床受壓的情形,但這并非真實(shí)情況,這樣的比喻僅是為了讓大眾更易理解“彎曲”這一概念,實(shí)際上并不嚴(yán)謹(jǐn)。太空中沒有“上下”之分,時(shí)空也不可能向下彎曲。準(zhǔn)確的說,時(shí)空是朝向物體的質(zhì)心方向彎曲的。

再來(lái)探討一下光子。我們通常說的“光子沒有質(zhì)量”,其實(shí)更準(zhǔn)確的說法應(yīng)是“光子沒有靜質(zhì)量”。因?yàn)楣庾邮冀K以光速運(yùn)動(dòng),從不減速,所以沒有靜質(zhì)量。

但根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程,光具有能量,能量也能表示為質(zhì)量,故光子擁有動(dòng)質(zhì)量。

盡管光子的動(dòng)質(zhì)量微乎其微,但面對(duì)黑洞無(wú)限的密度,依然難逃被吸引的宿命,成為黑洞引力的俘虜。

從時(shí)空彎曲的視角看,黑洞吞噬光線的過程會(huì)更易于理解。黑洞能將周圍時(shí)空極度壓縮,形成一個(gè)無(wú)限深的“重力井”。宇宙中的所有物體,都會(huì)沿著彎曲的時(shí)空,走測(cè)地線運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)光線不幸進(jìn)入被黑洞壓縮至無(wú)限深的“重力井”時(shí),即便光速再快,也無(wú)處可逃,面對(duì)無(wú)窮大的井深,任何速度都會(huì)顯得渺小無(wú)力。

當(dāng)然,不是所有天體都能像黑洞一樣影響時(shí)空,大多數(shù)天體對(duì)時(shí)空的改變有限,我們通常無(wú)法直觀感受到它們的影響,只能借助精密設(shè)備去觀測(cè)時(shí)空彎曲的現(xiàn)象。

例如,科學(xué)家們?cè)缫淹ㄟ^精密設(shè)備觀察到,太陽(yáng)附近的光線會(huì)發(fā)生彎曲,這一現(xiàn)象被稱作引力透鏡,是廣義相對(duì)論的有力證據(jù),生動(dòng)展現(xiàn)了時(shí)空彎曲如何引發(fā)引力透鏡效應(yīng)。

綜上所述,光子之所以會(huì)被黑洞所吞噬,可以被看作是陷入了一個(gè)時(shí)空彎曲至無(wú)限的“陷阱”之中,爬不出來(lái)。若想逃脫,理論上唯有超越光速方能成功,但超光速恰恰又是被自然法則所禁止的。

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