經典力學也能預測黑洞,它與現在的黑洞有何不同?為何不能成立

2021-01-20 科學探索家

最近幾天「黑洞」一詞是相當有熱度,因為人類首張直接拍攝的黑洞照片問世了,暫不說什麼內行看門道,外行湊熱鬧啥的,總之這件事的確挺振奮人心的,畢竟理論上討論了幾十年的東西,如今終於露出了真面目。

首張黑洞照片

同時,這次的黑洞圖像也再次證實了愛因斯坦廣義相對論的正確性,畢竟自它提出的這一百多年來,數次的實驗都成功的證明了它是目前人類最好的一套引力理論。

不過如果從黑洞這個概念萌芽開始算起,實際上早在經典力學時代,就有科學家預測過「黑洞」的存在,之所以在這要打上引號,因為這兩個黑洞並不完全相同。

經典力學預測的黑洞和現在的黑洞,其相關屬性是不能相提並論的,而且如果承認經典力學的黑洞成立,那麼相對論和量子力學就不能成立(經典力學之所以被稱為經典,那是因為它無法很好的描述微觀世界和高速世界)。原因介紹如下:

①經典力學的黑洞,當時被稱為「暗星」

暗星的由來,早先是由18世紀的科學家米歇爾,當時在寫給卡文迪許的一封信裡提到的,認為宇宙中會不會存在一種引力極強的天體,連光線都無法在其表面逃離。相同的觀點,法國科學家拉普拉斯也提過。

他們用的理論框架是牛頓力學,而且關於這個問題的思路和計算也不難。按照當時盛行的光微粒說:光是由一個個小微粒構成,因此一個小微粒的動能就是1/2mc^2,這是牛頓力學中的動能公式,其中c為光速

再加上相關逃逸速度的計算:光微粒(光子)逃離天體的過程就是克服引力的過程,因為只需將動能和引力勢能之間做個關聯即可(這實際上就是計算某天體的第二宇宙速度的過程,因為只需保證光子無法逃脫該天體引力,我們就能稱之為光線無法從該天體表面逃逸)

我們就能簡單得到結論:動能=引力勢能,隨後就能得到暗星的最大半徑=2GM/c^2,G是引力常數,M是暗星質量,c是光速

很顯然,如果某天體符合這樣的標準,那麼它就能被稱為暗星,但我們也發現,這個暗星除了能束縛住光子之外,似乎與別的天體並無異樣,尤其是我們現在說的黑洞能影響空間以及時間等特性。

②那為何經典力學中的暗星不能成立呢?

通過上段我們可以發現,暗星半徑的計算並不困難,基本上高中生都能完成。但這裡就要注意一點了,當時的大背景是經典力學,而後來的相對論和量子力學還沒出現。

當時光子的動能表達式仍舊是牛頓力學中的形式1/2mv^2,但實際上光子的動能在相對論中是mc^2的形式,其中m是光子的相對論質量{準確來說,動能形式應該是(mc^2)-0),這個0代表光子的靜止能量,但由於沒有靜止質量,因此為零)

而相對論質量通過質能方程E=mc^2和量子力學中能量子假設E=hv(h為普朗克常數、v為頻率)可知。(僅僅這一條就涉及到了相對論和量子力學兩大理論)

並且我們要知道,暗星所謂的束縛光子的方式,這個過程中是與相對論中的光速不變原理相違背的。光子在暗星上的運動和地球上的拋石頭類似,向上運動後,最後還得掉下來,也就是說光速是可變的,這與光速不變原理又不一致。

也就是說,當時拉普拉斯等人的計算基礎就是錯誤的。所以經典力學的黑洞不能成立,否則相對論和量子力學就得推翻了。

③為什麼說暗星的半徑公式和現在的黑洞半徑公式相同

第一部分我們提到了暗星的最大半徑公式是2GM/c^2,而相對論中史瓦西黑洞的半徑公式也是2GM/c^2,只能說這純粹是一種巧合。史瓦西黑洞是基於廣義相對論得到的結果(而經典力學手段,在一系列錯誤的配合下,很巧的得到了相同的結論),並且相對論對於引力的理解也是和經典力學有很大區別的。

再說,如今黑洞的類型還不止一種,史瓦西黑洞僅僅是最簡單的一種,還有克爾黑洞、克爾紐曼黑洞、雷斯勒-諾德斯特洛姆黑洞,這幾種的區別在於電荷的攜帶和是否自轉兩方面上。而這些黑洞相比於上段所講的史瓦西黑洞,更加複雜了,畢竟史瓦西黑洞是最簡單的黑洞類型(因為無自轉,無電荷)

如果再往深了說,一般黑洞是由恆星的衰亡產生的,而恆星的衰亡演化過程,經典力學也沒法描述,總之,這個問題在細節上能涉及很多方面。

比如從恆星的形成,先是由一大團分子雲,經過引力坍縮,成為原恆星,之後再進行核聚變,而核聚變的過程又得涉及量子力學中的隧道效應,之後當內部輻射壓與外部引力平衡時,就成了主序星。

而當恆星走向死亡時,它的結局會有三個,分別是白矮星、中子星以及黑洞。而這三種結局的形成過程,都涉及到相對論和量子力學,比如白矮星內部的電子簡併態(這涉及量子力學);考慮到相對論因素,如果一顆白矮星的質量大於1.44倍太陽質量,它還會進一步坍塌。更多的就不細談了。

因此,總的來說經典力學預言的黑洞,是不存在的,僅僅是在某些部分上的描述和如今的黑洞類似。

本篇文章的內容到此結束。

謝謝各位閱讀!

相關焦點

  • 經典力學也能預測黑洞存在,並計算出其半徑,為什麼沒人提?
    經典力學預測的黑洞和現在的黑洞,其屬性是不能相提並論的。並且如果承認經典力學的黑洞成立,那麼相對論和量子力學就不能成立。再加上相關逃逸速度的計算:光微粒逃離天體的過程就是克服引力的過程,因為只需將動能和引力勢能之間做個關聯即可我們就能簡單得到結論:動能=引力勢能,隨後就能得到暗星的最大半徑=2GM/c^2,G是引力常數,M是暗星質量,c是光速②那為何經典力學中的暗星不能成立呢
  • 經典力學的預測也已被實驗證實
    經典力學的預測也已被實驗證實。那麼,剩下一個就是,即便有測不準原理(可能是這些預測都是用平行宇宙的觀測證實的),最後還是由誰決定把測不準原理去掉?我相信是有這種可能的,所以從你的問題我只能猜測這樣的可能性。
  • 逃出黑洞,量子資訊必須掙脫黑洞的枷鎖,才能挽救量子力學!
    量子資訊必須掙脫黑洞的枷鎖,才能挽救量子力學。黑洞影像和重力波的觀測結果或許能告訴我們,該如何達成此事。2019年4月10日,人類首次目睹了黑洞的輪廓。物理學家僅研究這個謎團就發現,黑洞的存在牴觸了迄今用來描述宇宙中其他事物的量子力學定律。解決這個異常可能需要深刻地改革基本觀念,有如量子力學推翻了古典物理。理論學家探討過許多概念,仍未找到直接證據以解決這謎團。
  • 科普:天文學中使用經典牛頓力學對黑洞質量的測量
    這是黑洞的最初的物理定義!隨著對黑洞的深入研究,黑洞由三個基本的參量描述:質量、旋轉速度和電荷數,這裡我們只討論黑洞的質量測量,而且是星系中心大質量黑洞的測量,因為星系中心的大質量黑洞的周圍有足夠的參照物讓我們使用。
  • 光沒有質量,為何會被黑洞吸引?
    愛因斯坦從狹義相對論中推導出的質能方程告訴我們:質量和能量是物體同一性質的兩個不同度量方式,能量和質量是高度統一的,有能量的物體便具有質量,有質量的物體也擁有能量。根據質能方程E=mc^2,便可推導出光的質量為hv/c^2,光的這種質量被稱之為動質量或者相對論質量。
  • 黑洞、白洞、蟲洞,到底有何不同?科學家:它們不同,但關係複雜
    真正有高科技覺醒也就是這幾百年的事情,短短幾百年,我們人類就已經發展到現在這種文明程度,其實已經算是非常厲害的了。因為科技的發展,我們也發現了很多我們以前從未了解過的天空秘密。我們都知道,宇宙中是有黑洞、白洞、蟲洞的。那麼,黑洞、白洞、蟲洞,到底有何不同?科學家為我們解答了疑惑,他們表示:它們不同,但關係複雜!
  • 比黑洞更可怕的天體出現了,黑洞甘拜下風,兩者之間有何聯繫?
    黑洞的形成需要有一個質量非常巨大的星體,當它的核心耗盡時,它的重力就會瞬間崩潰,而核心在其自身的重力作用下會瞬間收縮,從而使星體受到壓縮,與此同時,星體內部的空間也在不斷壓縮,最後在瞬間膨脹,產生強烈的爆炸,形成黑洞。白洞是什麼?
  • 量子力學表明黑洞視界上會有量子纏結
    儘管在近期不會有任何人類落入黑洞,但設想一下如果它的確發生了,那麼這將是一種探測宇宙最大謎題之一的偉大方式。這導致了所謂的黑洞防火牆悖論--黑洞一直都是宇宙謎題的來源。     根據艾爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論,如果黑洞吞噬你,你存活的概率為零。你將先被黑洞的潮汐力撕裂,這個過程被稱為義大利麵化(spaghettification)--指在強引力場中物體因潮汐力作用產生的拉伸形變。
  • 黑洞與愛因斯坦到底有何關係?為何黑洞發現者是史瓦西
    宇宙中有各種各樣的天體,但是最神秘可怕的卻是非黑洞莫屬了。黑洞是一個引力極強的特殊天體,在它的中心是一個密度無限大,時空曲率無限高,體積無限小的奇點。人們發現,現有的客觀物理定律在奇點處全部都會失效。在奇點周圍還會存在一個事件視界範圍,任何物體包括光在內在進入視界區域後都無法逃離黑洞,因此在這片區域是不可觀測的區域,因為沒有任何光能夠射出讓我們看到,因此就被形象地稱為「黑洞」。黑洞最早並不是人們直接觀測到的,它是愛因斯坦預言的一種天體。
  • 霍金:黑洞中是什麼?
    這意味著黑洞能與某一非零溫度下的熱輻射處於平衡。然而根據經典概念,不存在這樣的平衡,因為黑洞會吸收落在它上面的任何熱輻射,但根據定義不能夠反過來發出任何東西。它不能發射任何東西,也不能發射熱。 這就產生了有關黑洞——由恆星坍縮創造的令人難以置信的密集天體——的性質的一個悖論。一種理論建議,具有相同性質的黑洞可以由無限數目的不同類型的恆星形成。
  • 黑洞是生命體嗎?科學家在6億光年外的黑洞上找到了答案:它動了
    科學家認為,在宇宙中存在著一個密度極大的物體,大到連光都不能從裡面逃逸,它能夠吸納一切甚至是光。我們之所以遲遲發現不了黑洞,是因為黑洞不會反射任何光線,它會將所有物質都吸收,達到了「絕對的黑」,以至於我們歷經多年才發現了黑洞。
  • 廣義相對論與量子力學的終極矛盾——黑洞奇點
    然而通過恆星坍縮自然形成的奇點的質量很大,一般在三個太陽質量以上,所以實際上它的不確定性很小,也就是說奇點雖然屬於微觀,但似乎又不存在不確定性,因為它的位置和動量都非常容易確定,雖然它實際上是無法測量的,但是我們仍然可以通過測量黑洞來對其進行間接測量:根據黑洞的視界能確定黑洞的質量,而根據黑洞的質量能確定奇點的質量,又根據其移動速度確定其動量;通過視界能確定黑洞的邊界,而奇點就位於黑洞的中心點上
  • 黑洞的另一頭就是白洞?那蟲洞又是什麼?它們有何不同?
    要知道在6500萬年前滅絕的恐龍,都控制了整個地球表面的陸地生態系統,有1.6億年以上。可我們人類雖然出現的較晚,而且存在的時間也不長,但是我們人類的發展速度快。就這麼短的時間內,我們人類就差不多已經成為了這個地球的主宰了。可是越發展,越覺得我們人類的文明程度還不夠。因為我們人類的腳步,已經踏出了這個地球了。在這個浩瀚無垠宇宙中,多的是我們人類難以了解通透的事物。
  • 落入黑洞一定灰飛煙滅?衝入奇點或許能看看內部-黑洞,奇點 ——快...
    長時間以來,物理學家一直堅稱人類不可能揭開黑洞之謎。任何物體一旦進入黑洞便一去不返,無法開展研究。少量物質和能量也許能夠以「霍金輻射」的形式逃離黑洞的魔爪,但任何落入黑洞的物體都將從實體宇宙中消失不見。現代物理有這樣一條基本假設:任何物體只要落入黑洞,就無法再聯繫到它,也無法預測其未來情況。
  • 黑洞是什麼?從何而來?什麼是黑洞的「事件視界」?
    提問:黑洞是什麼?它們從何而來?科學家們能看到黑洞嗎?什麼是黑洞的「事件視界」?回答:黑洞是由廣義相對論方程預測的理論實體。當一顆質量足夠大的恆星發生引力坍縮時,它的大部分或全部質量被壓縮到一個足夠小的空間區域,從而在該點處引起無限的時空彎曲(即「奇點」),就形成了黑洞。如此巨大的時空曲率不允許任何東西,甚至光,從「事件視界」或邊界逃逸。黑洞還從未被直接觀測到,儘管對其影響的預測和觀測結果相符合。
  • 黑洞,時間,宇宙從何而來?|內有福利
    我們現在知道,在宇宙全部能量密度中,普通物質只佔 5%,暗物質則佔到了 25%。暗物質是一種未知的物質形式,科學家通過引力作用推測出了它們的存在。宇宙中剩下的 70% 是暗能量,普通物質的引力作用理應讓宇宙的膨脹減慢,而暗能量這種神秘的東西卻加速了宇宙的膨脹。暗物質和暗能量是什麼?它們為何能佔據 25% 和 70% 的宇宙成分?這些問題我們不得而知。
  • 愛因斯坦為何拒絕黑洞,而物理學家為什麼喜歡研究黑洞?
    從初識,到相知,我們對黑洞到底有過那些誤解?而如今我們又是如何看待它的呢?這是因為在那個時代,物理學家們有一種傾向性觀念:一個天體能得以存在,必須內力與外力平衡。然而事實卻是內力是可以捨棄的。在這次認知黑洞的戰役中,曾幫助愛因斯坦洞察引力的直覺,卻阻礙了他對黑洞的洞察。由此可知,正確的結果有時並不一定能得到正確的答案。
  • 揭秘:人類發現黑洞的意義所在
    人類發現黑洞意義會有多大?黑洞有很多神奇而且無法解釋的現象。黑洞無毛,除了它的質量、電荷和旋轉,人們無法從外面說出黑洞內部是什麼。這意味著,黑洞必須包含大量對外面世界隱藏的信息。但是能塞到一個空間區域的信息量有個極限。信息需要能量,而根據愛因斯坦著名的方程 E=mc2,能量具有質量。所以,如果在一個空間區域存在太多信息,它將坍縮變成黑洞,而黑洞的大小會反映信息量的多少。1974年初,根據量子力學來研究黑洞附近物質的行為。令人十分驚訝的是,發現黑洞似乎以恆定的速度發射粒子,一個什麼都東西都無法逃脫的黑洞,竟然在發射粒子?
  • 從引力波到黑洞,愛因斯坦百年前預測終被證實,還有蟲洞等待發現
    但是不知道各位有沒有想過,無論是去年剛被證實的引力波,還是現在的黑洞,其實都是在愛因斯坦一百年前發表的廣義相對論中就早已預測出來了。可直到一百年後的如今,我們也只是剛剛能夠通過當今最先進的科學工程技術來成功驗證愛因斯坦理論的準確性。那麼能在一百年前做出如此神預測的愛因斯坦到底有多牛呢?
  • 黑洞理論的部分後續
    今天,黑洞已成為科普文化中的常客,是人們很熟悉但也感到很神秘的天體。黑洞是宇宙中最黑的區域,因為任何物質,包括光,都不可能從中逃逸出來。1969年,彭羅斯提出,可以提取黑洞轉動能。轉動黑洞的視界之外,有個能層(ergosphere),在這之內觀察者要被帶動一起轉動。彭羅斯假想有個投射物被扔進能層,一半進入視界,一半逃離黑洞。