前面一期文章我講到廣義相對論場方程,這個方程特別難理解,因為用上了很多模式概念「曲率」、「張量」、「矩陣」、「二階」等等,但是我們可以從定性的角度去理解。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?比如你再某星球上平拋一個小球,如果小球初速度很小,很快就會被星球引力吸在地面上,但是如果你拋的初速度足夠大,小球將不會掉在地面而是一直圍繞星球做圓周運動,當你這個初速度恰好能保證小球不掉地面,一直圍繞做圓周運動,這個速度就叫:第一宇宙速度。
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。由於計算逃逸速度的公式是定死的,那麼就會出現,有的天體計算出的逃逸速度>光速,這就悲劇了,因為我們光速是最大速度,任何物體都不能超光速,這就意味著任何物體都達不到這個逃逸速度,也就無法離開天體。這種逃逸速度大於光速的天體,就是「黑洞」,所以任何物體無法逃離黑洞。
以上分析非常合理對吧?可惜我要告訴你這是錯的,因為剛剛分析的有個前提就是:你給小球加了初速度後就不管了,任由小球自己運動。也就是給了小球初速度後,就不給小球任何後續的額外動力了,這才有了剛剛的逃逸速度計算。如果我給了小球初速度後,馬上持續給小球動力,其實就算天體的逃逸速度>光速也無所謂,物體只需緩慢走出天體即可。再舉一個形象的例子,比如我先計算出小球處於地面時星球給他的引力,然後我給小球一個向上的力F,只要這個F大於引力,小球就會慢慢向上運動,由於速度雖然有上限c,但是F可沒有上限哦,而且根據萬有引力公式,處於地面時小球受到的引力是最大的,越往上走,小球受到的引力就越小,我的F就可以比最開始小點,只要F>引力,我就可以保證小球一直處於向上走的狀態,這樣一來我就可以輕鬆+愉快的逃離星球了。
有人可能會用狹義相對論的「速度越快、質量越大」觀點來反駁,你給小球向上加速,速度越大質量就越大,受到的引力就越大,所以你的F必須越來越大,這樣一來小球速度接近光速時,質量變得無窮大,你的F也得變得無窮大,所以你依然逃離不了黑洞。
以上反駁也有道理,不過我可以讓小球具備了向上初速度後,就讓小球做勻速直線運動不就行了。比如最開始我讓F>引力,小球開始向上加速,只要速度達到了1m/s後,馬上讓F=引力不就行了,小球就可以一直做向上的勻速直線運動,速度就保持1m/s,這樣一來就以「緩慢的方式」離開黑洞了。
有人可能又會反駁,隨著小球離星球越來越遠,引力也越來越小,你如何保證F始終=引力呢?其實這樣想就是抬槓了,我完全可以比如某一個時刻,F>引力,小球速度超過1m/s,然後馬上讓F<引力,小球速度又小於1m/s,然後又讓F>引力,小球速度又超過1m/s,這樣一來小球速度一直1m/s徘徊,只要保證小球速度不為0,就依然可以緩慢走出「黑洞」。
所以根據以上分析我們可以看出,當天體逃逸速度大於光速時,按照牛頓的萬有引力,我們依然可以通過緩慢的方式離開黑洞的。但是實際上:黑洞的確是無法逃逸的,連光也無法逃脫。這也說明牛頓的萬有引力解釋的確存在問題,引力真的不是一種力。
關於為啥黑洞無法逃逸,牛頓力學無法解釋,到底誰可以解釋,我們下期來給大家揭曉黑洞無法逃逸的真正原因,用柯南的一句話:真相永遠只有一個。下期見,我是百家號《小彭來給您解惑》,如果喜歡我的文章可以關注我,如果對文章有異議可以留言評論。