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有质量才有引力,光没有质量,为什么黑洞把光吸住了,不矛盾吗?

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科学宇航员 2021-02-23 08:51

仅仅以牛顿的万有引力来看确实会存在矛盾,这也是为什么会出现爱因斯坦相对论的原因。这个问题只有通过广义相对论才能得到比较完美的解释。

第一种解释:光子没有静质量,却有动质量。

我们知道光具有能量,将光的能量代入爱因斯坦的质能方程:E=MC中换算,就能得到一个质量值,但我们知道光没有质量,所以这个质量称为光的“动质量”。

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动质量是只有在高速运动中才会用到的物理量,体现了爱因斯坦提出的“质能”概念,即能量和质量是一体的。

我们传统认知中,质量是一个内禀属性,不会因为环境的变化而变。比如地球上600克质量的物体,到月球上虽然会变得只有100克重,但还是600克的质量。重力会变,但质量不变。

但在相对论的体系下,爱因斯坦提出物体相对于另一物体的相对速度不同时,其对于另一物体的相对质量也不同。质量成为一个会随运动状态改变而改变的变量,为了区别传统的质量认知,于是有了“静质量”与“动质量”之分。

同时这个动质量概念也能解释有质量的物体为什么不能超过光速。物体加速就需要获得动能,动能越来越大,意味着物体的动质量将随着速度的增大而增大。当物体速度接近光速时,它的动质量将趋于无穷大,所以静质量不为0的物体不可能达到光速。

因为光有动质量,所以黑洞能吸收光也就不那么难理解了,但这个解释其实并不完美,还不够直接。

第二种解释:所谓的引力只是时空扭曲。

广义相对论把引力用简单的空间几何概念诠释了。在爱因斯坦看来根本没有什么引力,所谓的引力实际上是大质量天体对时空的扭曲。

宇宙中一切物体都在时空中运动,包括光。时空并非是平直的,它们会被巨大的质量所扭曲,扭曲的时空为大质量的天体产生了引力的效应。

实际上所以的天体都在宇宙中进行着“匀速直线运动”,或准确地说按空间的测地线(也叫短程线)运行。

地球围绕太阳转,是因为太阳的质量将它周围的时空扭曲了,地球运行的测地线刚好被近似扭曲成了一个圈,就是地球的公转轨道。


而黑洞巨大的质量会把时空以难以想象的形式严重扭曲,在它的史瓦希半径,即事件视界内,所有的测地线都向中心的奇点扭曲,并无限延伸。进入这一区域的光,由于时空的改变,会向黑洞中心无限“下坠”(这里说的“下坠”是指垂直于三维的第四空间维度)。

咋看上去,就像光被黑洞吸收了。实际上光还在自己的轨道上运动,就像地球自行围绕太阳转一样。

上图只是一个近似的平面概念图,并不是真正的扭曲状态。

以时空扭曲来理解光被黑洞吸收更加简单,同时还能诠释引力之下的“时间膨胀”效应,即引力越大时间流速越慢。

正如惠勒所言:“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。”物质与时空相互成就,也相互束缚。

黑洞代表了这个宇宙时空弯曲的极限,光代表了这个宇宙物质运动的极限。

我们站在黑洞外面看,黑洞似乎将一切吸收。如果站在黑洞中心看,一切都将会急速与我们远离,就像宇宙膨胀一样。

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