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關於這個問題,史蒂芬·漢姆給出了錯誤的答案。他認為所有在測地線上運動的天體,無論其質量大小,都做局部直線運動,光線也不例外。當質量大的天體快速運動時,光線運動路徑是天體運動路徑的極限。但是,當運動速度達到極限時,天體質量就會變成零,以保持能量守恆。
重力是由能量而非靜止質量決定的。光和物體中的能量正是吸引其他天體運動的幕後之手(當然,來自各種地方的動量、力量和壓力也起著次要作用)。如果你往一個箱子上照一束光,反射到鏡子上,根據能量,它與其他任何事物一樣受引力吸引。這並不令人驚訝,因為當箱子吸收了光子的時候,用光子質量除以c^2,可知箱子的質量上升了。
重力偏轉了光線,還引發了一種逆反應——光線拉回了重力。這是為了在漸趨平坦的背景中保持動量。
對於黑洞來說,考慮持續加速的觀察者,情況已經很清楚了。這個持續加速的觀察者感受到了局部重力場,但這個局部引力場沒有時空的曲率,這是由於運動。你觀察這個(?)的方法是因為相對論是畢達哥斯拉定理中帶有負號的幾何,加速的時間的曲率,一個圓 x^2 + y^2 = R^2 曲率的半徑恆定,所以雙曲線x^2 - t^2 = (1/a)^2是恆定加速度。
圖解:這是人類史上首張黑洞照片。圖源:cqrb.
這條雙曲線有漸近線,是觀察者從未觀測大的、來自起點的光線。對於雙曲線的右分支來說,任何更趨近於左側而非漸近線的光線都永遠不會到達加速度的觀測者所處位置。觀測者從加速度的飛船中扔出去的任何物體,都會穿過這條光線並被切斷通訊。
這個觀測者會感到被一面巨大的吸收萬物的黑色牆壁追蹤。牆外的光線永遠不會到達觀測者所處位置。這堵牆還在與加速度成比例的溫度下發光發熱。
黑洞就是這樣一堵黑牆收縮成的一個球。當你靠近黑洞時,你可以在原處進行加速,此時視界與加速度「黑牆」——倫德勒時空幾乎無法區分。但是如果你離得很遠,黑洞在你的視野中就是重力的一個起源點。因為地平線是一個球,進入這個球的任何光線都不可能再逃離出來——光線被困住了。
原處觀察者發出的光一直持續到無限的霍金輻射背景中。
圖解:霍金輻射,是一種關於黑洞的理論。在「真空」的宇宙中,根據海森堡不確定性原理,會在瞬間憑空產生一對正反虛粒子,然後瞬間消失,以符合能量守恆。在黑洞視界之外也不例外。史蒂芬·威廉·霍金推想,如果在黑洞外產生的虛粒子對,其中一個被吸引進去,而另一個逃逸的情況。如果是這樣,那個逃逸的粒子獲得了能量,也不需要跟其相反的粒子湮滅,可以逃逸到無限遠。在外界看就像黑洞發射粒子一樣。這個猜想中的輻射被命名為"霍金輻射"。由於它是向外帶去能量,所以它是吸收了一部分黑洞的能量,黑洞的質量也會漸漸變小,消失;它也向外帶去信息,所以不違反信息定律。圖源:baike.
根據愛因斯坦的廣義相對論,光線受重力的影響與物體受重力的影響相同。這是因為在這個理論體系下,我們不應該根據矢量——比如力——來考慮重力,而應將重力作為宇宙「形狀」的產物。
根據牛頓的看法,引力是一種線性定向的力,在這種力的作用下,所有有質量的物體都被其他有質量的物體牽引。他的分析表明,力的強度與兩個相互吸引的物體的產物成正比,而與它們之間的距離的平方成反比。因此一個蘋果和地球會相互牽引對方,並且蘋果從樹上「掉落」。因為光(無論被看做射線還是光子)沒有重量,因此牛頓的方程預測它永遠不會被任何物體的引力吸引,無論物體多麼龐大。
圖解:蘋果從樹上掉落。圖源:sohu.
為了建造一個與所有研究者保持一致、而且不依賴某些獨立的固定參考系的理論框架,愛因斯坦拋棄了對重力作用的認識,重新設計一個新的理論體系。根據這個理論,所有具有質量的物體都會改變時空的曲率,即宇宙的四維結構。然後,物體遵循已創建的曲線在時空中運動。
圖解:愛因斯坦的廣義相對論認為重力是時空(或宇宙)的一種形態,有質量的物體扭曲時空,在這個時空內的物體沿已扭曲的時空作運動,體現為引力。質量大的物體對時空的扭曲大,質量小的物體對時空的扭曲小(這與牛頓所認為的「引力是一種力」的看法相左)。圖源:dreamstime.
因為人類的大腦不擅長想像四維物體,我們通常用三維空間做比喻。把時空想像成一塊橡膠板,在此刻拉平。如果我們往這個「時空」放置一個質量極大的物體比如一個天體,它會把這塊橡膠板向下推,在橡膠板上產生一圈漣漪或者一個凹陷。
圖解:引力將時空扭曲成了一個漏鬥。圖源:baijiahao.
這個天體的行星在沿著這塊橡膠板運動的時候做的不是直線運動,當它經過這個凹陷時,行進路線會發生彎曲,朝著新的方向運動。如果一個物體以正確的速度運動,它也許會卡在凹陷中,順著軌道沿行星前進,就像一個球繞著輪盤前進。到目前為止,這個理論的預測都和牛頓的預測一樣,但是現在有了一個區別——如果光線沿著時空的這塊橡膠板前進,同樣會跟隨曲線運動,因為時空的曲率已經被天體創造出來了。事實上,如果這個凹陷足夠深,而四面的牆壁很陡,光線可能會掉進這個凹陷中,再也無法逃離。
圖解:不同質量的天體對時空造成的變形。圖中從左至右依次為太陽、中子星、黑洞。圖源sina.
(我們稱作「黑洞」的東西)牛頓沒有注意到光線的彎曲,因為需要一個質量極大的物體,才能使像光線那樣快速運動的物體,彎曲到能被觀測者注意到。這也是我們仍然學習和使用牛頓方程的原因——它在大多數時候都是適用的。但實驗表明牛頓錯了,正如愛因斯坦預測的那樣,光線會被具有質量的物體吸引。
參考資料
1.維基百科全書
2.天文學名詞
3. 精衛-quora
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