引力為什麼要以光速傳播?那它為何能逃離黑洞?

2020-12-05 李論科學

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

我們知道引力以光速運動;如果是這樣的話,那麼黑洞的影響如何能延伸到事件視界之外呢?也就是說,引力是怎樣逃離黑洞的?如果說引力以不同於光的方式『移動』,那它為什麼會以同樣的速度傳播呢?

其實這個問題很簡單,只是有些概念搞混了。引力並不是從黑洞逃離的,這裡有個錯誤的概念,我們認為引力是由質量物體產生的,那質量物體為什麼要產生萬有引力呢?其實這個問題愛因斯坦已經給出了答案:它們不會直接產生萬有引力,而是質量物體會扭曲時空,而扭曲的時空是產生引力的原因。記住,引力是扭曲的時空提供的,不是質量物體直接的結果。其實說到這裡答案已經很明顯了,你覺得呢?

引力為何能逃離黑洞?

關於質量/能量物體是如何影響時空的。通常我們會看到二維平面的表示,比如地球周圍的空間,就像上圖那樣。或者我們也會看到這樣的解釋,引力就像一個保齡球放在一塊橡膠薄板上,較重的物體在薄板上會造成較深的凹痕。

這些二維平面的比喻過於簡化,因為這些凹痕發生在各個方向上,所以「凹痕」實際上是空間本身的三維扭曲。就像上圖那樣!但這些簡化的圖景說明了一個重要的問題:從根本上說,質量對空間本身會造成一種扭曲。我們經常用「引力井」這個詞來描述空間的扭曲程度。

從數學上講,引力的影響與物體的質量成正比,與距離的平方成反比。這種與距離平方反比的關係就產生了遠離物體中心平滑的引力曲線(上圖)。如果你離目標越近,引力井越深,因為質量物體會對附近空間扭曲的更嚴重,所以你會感覺到很強的引力。如果你離得很遠,那麼質量物體對空間的影響就越小(平方反比方式減小),所以你感受到的引力更弱。

上圖,不管質量物體以何種形式存在,空間扭曲都會一直存在,只是扭曲程度不同而已,黑洞的引力井更深、更陡。而引力正是由空間扭曲產生的。跟黑洞沒有直接的關係。因此,也不存在逃離黑洞這麼一說。

一個質量物體對空間的扭曲總是存在的,例如,所有的行星都會對自己所在的空間產生扭曲,衛星在扭曲的空間中以橢圓軌道運行。太陽也有它自己更深的引力井,所有的行星都在圍繞著扭曲的空間運行。太陽的運動又遵循著星系的空間扭曲。關鍵的一點是,質量物體不論以何種形態存在(恆星、中子星、黑洞),對空間的扭曲會一直存在,只是空間扭曲的程度不同而已,天體會隨著密度的增加對其周圍空間的扭曲就越嚴重,引力井會更陡。一塊小氣體雲的質量可能與行星相同,但行星的引力井將比氣體雲更陡。引力井越陡,就需要越快的速度逃離,但要形成黑洞就需要極大的質量、也需要極高的質密度。

黑洞的視界面正是描述了,如果超過這個位置,黑洞的引力井甚至不允許光逃脫。但引力井本身就存在於事件視界面的內外,在事件視界之外空間只是扭曲得不那麼嚴重了而已,並不是說在視界面之外,空間就平坦了,不再扭曲了,因此在視界面之外引力會一直存在。

能形成黑洞的恆星是質量最大的恆星,它們一般是藍色的,溫度極高,並且消耗燃料的速度非常快。這些恆星在成為黑洞之前,空間就已經變形了。恆星坍縮成黑洞時,其核心收縮、空間扭曲會變得更加強烈,這是一個緩慢轉變的過程。

那引力為什麼在光速極限下的「運動」呢?

這個問題可以分開考慮;雖然引力可以在無限的時間內傳播到無限遠,也就是空間的扭曲在不停地向外傳播,其扭曲程度隨距離平方的反比在減弱,但是光速限制了關於變化的信息在空間中的傳播速度。

最常見的例子是,如果太陽自發消失(不是爆炸,而是完全消失)地球不會感覺到任何不同,直到大約8分鐘後,才能看見陽光消失了。但地球也將繼續圍繞著不存在的太陽公轉8分鐘,因為由於太陽的存在,空間從扭曲到平坦的變化還沒有到達地球。如果我們認為光速是信息傳播速度的極限,而不是粒子速度的極限,那這個問題就更容易理解了。

然而,信息並不總是以光速傳播,這取決於信息所經過的環境,以及信息的形式(並不總是光),信息傳播的速度可以比光速慢得多。真空中的光速似乎是一個無法超越的極限,但如果信息是像聲音一樣的壓縮波,那麼信息在介質中就以聲速傳播。

想像一下打雷天,我們一般會在打雷幾秒鐘後聽到雷聲。因為光在空氣中傳播的速度比聲音快,所以即使它們是同時產生的,也是光信息最先到達我們,而你離得越遠,這種差異就越大。

光速在水中甚至比在空氣中還要慢(慢1.3倍)。實際上,介質越密集,光在其中傳播的速度就越慢。

現在回到引力速度!空間扭曲形狀的改變也是在介質中傳播的信息,而這個介質就是空間,它幾乎是一個完美的真空,所以引力就會接近絕對信息速度的極限。據我們所知,引力的作用方式不會在真空中減速,所以它也應該以光速傳遞信息。如果聲音能在真空中傳播,那麼它也會是光速。

引力其實是最不容易被理解的自然力之一;我們對引力的重要性有很好的描述,對引力的強度也有很準確的描述,但我們不知道引力是如何運作的。它是如何與物質相互作用的。是否存在一個粒子來調節它的相互作用?這個問題需要以後來回答。

相關焦點

  • 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
    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)。
  • 光都不行:引力如何逃脫黑洞?太奇妙了-引力,黑洞,宇宙 ——快科技...
    沒有什麼能超過光速,而黑洞能陷住包括光在內的一切東西。那麼,引力是如何逃脫黑洞的呢?這個問題很有趣,這能讓大多數人真正理解引力。答案是,引力的作用方式並不是一般人所想的那樣。直到1900年代早期,這才被確定為引力理論,至今我們仍在使用。但在構造這個引力模型時,使用了一些假設。假設我們有一個只有單一質量的宇宙。想像一個朝四面八方延伸的空間,所有質量都集中在其中心,我們記為A。那這樣的質量是否具有引力?如果引力只是一個物體與另一個物體之間的相互作用力,那麼這個答案就是否定的。沒有其他的質量能給A施加引力,所以沒有引力。
  • 光速不變,為何在水中的傳播速度會變慢?引力又為何與光速相等?
    我們說光速不變,可光在不同傳播介質之中的傳播速度卻又是不一樣的,通常所說的每秒299792458米只不過是光在真空中的傳播速度罷了。既然光速不變,為什麼光在不同傳播介質之中的傳播速度會不一樣呢?其實這是一個有趣的誤會,光在任何傳播介質之中的運動速度其實都是不變的,都是每秒299792458米,而之所以最終的傳播速度測定不同,是因為在不同傳播介質之中的運動距離存在著變化。
  • 光子為什麼無法逃離黑洞?
    在黑洞的問題上,黑洞本身就是一個強引力場的來源,在那裡牛頓的萬有引力定律早就失效了。為什麼會這樣?我們可以看水星的例子。在這個橢圓封閉性問題上,結論是很清楚的:牛頓的萬有引力定律在引力比較強的時候是不對的。太陽附近尚且如此,不要說黑洞附近了。光子沒有靜止質量,但它同樣會受到黑洞的吸引,我們不能用牛頓定律的萬有引力公式來計算這個吸引力,而應採取廣義相對論的觀點:光子的世界線在彎曲時空中是一條類光測地線,這條類光測地線在空間上的投影是彎曲的——這就是黑洞對光子的吸引力的寫照。
  • 引力的傳播速度是光速,科學家是如何測量出來的?
    在愛因斯坦的相對論中,光速是恆定的,並且是不可超越的,但在宇宙間能夠達到光速的不僅僅只有光,還有引力、磁場和電場,同樣它們也能以光速進行傳播。 首先提出萬有引力的是牛頓,在他看來引力可以描述成兩個物質之間的吸引力,不過後來愛因斯坦提出了廣義相對論,這與牛頓持相反的態度,他主張引力並不是一種單純的力,它其實是物體彎曲時空的結果,雖然現如今的宇宙天體運行都受到萬有引力的制約,但是很明顯它是已知的基本力中最弱的一個,尤其是在分子和原子尺度上。
  • 黑洞為什麼無法逃逸?因為光速有上限?其實錯了
    大家都知道黑洞是只進不出,意思就是一旦靠近黑洞達到一定程度,就無法逃逸黑洞,只能靠向黑洞的奇點前進。但是黑洞到底為什麼不能逃逸,不少網友認為是因為光速有一個上限,速度不能無窮大,所以就無法逃逸,今天我就來解釋下黑洞無法逃逸的根本原因。
  • 為什麼引力波會以光速傳播?
    另一方面,廣義相對論,它解釋了物質/能量和空間/時間之間的關係,並描述了我們所經歷的引力。在廣義相對論的背景下,出現了一種新的輻射類型:引力波。然而,儘管這些引力波與光無關,但它們必須以光速傳播。這是為什麼呢?我們知道電磁輻射的速度可以由真空中的麥克斯韋方程推導出來。什麼方程(可能與麥克斯韋方程類似?)提供了重力波必須以光速傳播的數學證明?
  • 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?
    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。
  • 雙黑洞作引力彈弓加速!這是瘋了嗎?但接近光速的加速很誘惑!
    《火星救援》中的引力彈弓加速大家看得雲裡霧裡,《流浪地球》則是地球利用木星的引力彈弓加速來給予地球逃離太陽系的最後助力,但可能很多朋友搞不明白一個道理,行星好端端的在那裡,探測器去繞了一圈就加速了?那麼衛星天天繞著地球轉,也沒見得它們跑走嘛,為什麼探測器去繞木星就能加速呢?
  • 重力只影響有質量的物體,但為什麼光無法逃離黑洞呢?
    光無法逃離黑洞」意味著光受重力的影響,但重力不是只影響有質量的物體嗎?這真是一個好問題!黑洞照片 來源: zcool重力作用下光速的變化我在這裡看到一個答案,它實際上是說光在重力中加速,根據a=GM/r2這就是牛頓引力理論所預測的,但這是不正確的(儘管我將假定他們只是想用牛頓方程來證明一個觀點)。
  • 雙黑洞來做引力彈弓加速!這是瘋了嗎?但接近光速的加速很誘惑!
    《火星救援》中的引力彈弓加速大家看得雲裡霧裡,《流浪地球》則是地球利用木星的引力彈弓加速來給予地球逃離太陽系的最後助力,但可能很多朋友搞不明白一個道理,行星好端端的在那裡,探測器去繞了一圈就加速了?那麼衛星天天繞著地球轉,也沒見得它們跑走嘛,為什麼探測器去繞木星就能加速呢?什麼叫引力彈弓,它是如何加速的?
  • 為什麼光沒有質量,卻會被黑洞吸引?愛因斯坦:它是自願的
    物體的被黑洞吸引的理論,來源於蘋果落地的故事,這個理論在1900年以前的確可以很好的解釋物體為什麼會落地。牛頓對於這個現象的解釋是力,即F=ma,力的大小與物體的質量和加速度有關,因此大家認為如果光子的質量為0,引力mg=0,光子壓根不受力,那麼為什麼會被黑洞「吸走」?
  • 連光都無法脫逃,那信息能否在黑洞中留存?
    光為何無法逃離黑洞如果一顆恆星的質量是我們太陽的10~50倍,即便它成為了中子星,引力仍然會繼續壓縮它,沒有了聚變力來抵抗引力的拉拽,就無法阻止這顆恆星的最終坍縮,那麼它最終會變成什麼?在愛因斯坦的現代廣義相對論中,它預言了宇宙空間內應該存在這樣一種密度極大體積極小的天體。
  • 「逃離黑洞」的方法出來了,通過「反向持續受力」可脫離黑洞?
    之前文章談到了該方程的史瓦西解從而得出黑洞的存在,那麼黑洞到底有啥特性,為啥任何物體無法逃離黑洞?首先我們要談一個概念,就是逃逸速度。這是什麼速度呢?但是你如果把初速度繼續加大,小球不僅不會掉落地面,還會不斷擴大自己圍繞星運動的半徑,到一定程度小球就會脫離星球引力而徹底逃離星球,這個恰好能使得小球逃離的初速度就叫:逃逸速度。根據牛頓的萬有引力可以算出,這個逃逸速度和星球的質量和物體與球心距離有關。
  • 引力的傳播速度是光速,我們是如何發現並測量的呢?
    而在宏觀世界中反映出的物質之間的作用力主要是電磁力和引力,其中電磁力的本質是光子的交換,是我們觀察周圍世界最常用的媒介,而引力則是普遍產生在有質量的物體之間,是使之具有相互結合趨勢的吸引力。在四種基本作用力之中,引力是最弱的,那麼科學家們是怎麼測量出它的速度的呢?
  • 有質量才有引力,光子沒有質量,但黑洞能把光吸住,這不矛盾嗎?
    茫茫宇宙,最快不過光速,最神秘不過黑洞,在現代物理學中,光速和黑洞一直以來都是熱門的話題,黑洞是一個密度可以大到連光都無法逃逸的一種天體,可以吞噬一切物質,而光具有目前真空中傳播最快的速度。黑洞可以吞噬一切物質, 那為什麼連光都無法逃脫呢?
  • 黑洞逃逸速度是不是比光速還快?
    ,它的引力非常強大,使得視界內逃逸速度超過光速。我知道這樣講肯定會讓有些人不高興,他們認為光速是可以超越的,所以可以從黑洞逃出來。那我就講點新奇的理論。上面講的黑洞是「史瓦西黑洞」,這是一種常規的靜態的黑洞,物質進入這種黑洞是肉包子打狗有去無回,其逃逸速度的確超光速。
  • 黑洞有強大的引力,物體掉進黑洞的速度能達到光速嗎?
    大到能夠達到光速? 物體從高處掉下來速度不可能達到光速,遠處的隕石掉到地面上速度最多也就是70千米每秒多一點,之所以不能繼續增大是因為g不是一個定值。中學階段一般只研究地面附近的情況,在地面附近重力加速度g可以認為是一個定值,而在離地面很遠的位置重力加速度會變小,並且是與到地心距離的平方成反比,g減小非常快。
  • 黑洞的事件視界:光子、引力、義大利麵化,以及想像力的界限
    4月10日,國際事件視界(Event Horizon)望遠鏡項目發布了其黑洞成像計劃的第一批結果。結果不出所料,黑洞的照片是個黑色的洞,想搞清楚「為什麼黑洞是黑色的」,我們首先要清楚「事件視界」。事件視界是什麼?
  • 為什麼說無法逃離黑洞?黑洞裡面是什麼?
    黑洞的中心是它的奇點,一個包含所有最初形成黑洞的物質和在黑洞形成後落入其中的物質的點。像恆星一樣,黑洞的質量等於所有這些物質的總重量,但它在體積上幾乎沒有大小可言。換句話說,想要測量出黑洞的直徑是不可能的。相反,它的質量被壓縮進了一個密度無限大的點。在這個點上,任何我們所熟知且熱愛的常規的物理規律都不再適用。