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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。