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?

2020-12-05 科學探索家

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。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?

通過上段我們可以發現,當時光微粒的動能表達式仍舊是牛頓力學中的形式,但實際上光微粒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,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。

並且光子在暗星上的運動和地球上的拋石頭類似,向上運動後,最後還的掉下來,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過程存在明顯的錯誤。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(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。而這些結論是經典力學所給不了的。

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。

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。

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)。
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  • 愛因斯坦為何拒絕黑洞,而物理學家為什麼喜歡研究黑洞?
    如果能壓縮一個星球的半徑,逃逸速度就可以超過30萬公裡/秒,這意味著這個星球讓光都無法逃逸。在這樣的星球上,米歇爾的光炮彈永遠無法飛向太空。以地球為例,只需將其壓縮到半徑僅1/3英寸,一顆巧克力豆大小,就會產生這樣的效果。
  • 光子為什麼無法逃離黑洞?
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  • 牛頓理論也能預測黑洞的存在?淺談黑洞的趣味發展史
    黑洞是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遭受引力坍縮,其大部分或全部質量被壓縮到足夠小的空間區域,從而在該點產生無限的時空曲率時,黑洞就形成了。如此巨大的時空曲率使得任何東西,甚至光,都無法逃離「事件視界」。黑洞從未被直接觀測到,儘管對其影響的預測與觀測相符。
  • 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。
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    但實際上經典的牛頓力學在天文學的研究中仍然有著很大的應用範圍,比如在本篇科普小短文中即將討論的黑洞質量的估算(或者測量)。先簡單的說一下黑洞的定義,黑洞這個名詞最早是由美國物理學家惠勒於1969年提出的,但是黑洞的物理最早在1916年由德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)通過計算得到的愛因斯坦引力場方程的一個真空解。
  • 科學家:任何有質量的物體都能變成黑洞,可用這個公式算出半徑
    黑洞是目前為止最神秘的天體,最早是在上個世紀七十年代才發現它的身影,但是在更早之前,就有人通過數學公式推斷出它的存在。這是個計算黑洞半徑的公式,由物理學家史瓦西結合相對論推導出來,並描述了一件事實,任何有質量的物體都可以變成黑洞。
  • 史瓦西:計算出黑洞的人
    他認為,這個方程只有近似解,但讓他萬萬沒想到的是,居然就有人給出了精確解,這個人,便是卡爾-史瓦西。今天我們就來說說史瓦西的故事。之後,他被調到法國,到炮兵部隊去計算彈道,這種事兒對史瓦西來講都是小菜一碟。不過沒過多久,他又被派到東線戰場,從此踏上了俄國大地。廣袤而寒冷的俄羅斯堪稱德軍的地獄,在兩次世界大戰中,都葬送了數以萬計的德軍士兵。但讓人想不到的是,德國科學院院士、炮兵中尉史瓦西,正是在這個槍林彈雨的地獄中,綻放出了屬於自己的最耀眼的物理學光芒。
  • 吉哥深夜食堂:給孩子講量子力學(一)——牛頓與經典力學
    為什麼要先提牛頓呢?因為他是經典力學的創立者,經典力學是量子力學之前,最權威的物理學理論。牛頓曾說自己站在巨人的肩膀上,量子力學的誕生又何嘗不是站在牛頓的肩膀上呢?我們都知道牛頓很牛,他是第一個被封為爵士的科學家,也是第一個享受國葬的科學家(備極哀榮)。這一方面源於他極高天份,更是源於他對科學的執著。
  • 廣義相對論與量子力學的終極矛盾——黑洞奇點
    史瓦西半徑是根據廣義相對論的史瓦西解得到的一個半徑公式,用於計算光速不能逃逸的臨界半徑,科學家稱這個臨界半徑包裹的球形區域為黑洞。黑洞根據廣義相對論,當大重量恆星結束核聚變,中心會坍縮到史瓦西半徑以內而形成黑洞,根據英國物理學家彭羅斯和霍金證明的奇性定理,黑洞中心會產生一個體積無限小,密度無限大的奇點,在奇點處時空終結,物理規律失效,這是一個預言中的奇異點,實際存不存在無從驗證,因為它永遠被黑洞視界包裹著,黑洞視界阻止了外界獲取內部的任何信息
  • 經典力學如何被量子力學顛覆?人們只能計算未來發生事件的概率
    也就是說,如果你知道某一時刻宇宙中所有物體的位置和速度,那麼你就可以準確無誤地預測將來。這樣的物理學現在被稱為經典理論(classical theories)。愛因斯坦的理論就是經典理論的一個例子。玻爾、海森堡和薛丁格他們領導的革命卻創造了另一種理論——量子力學(quantum mechanics)。
  • 是誰預言了黑洞存在?人落入黑洞後為什麼還能看到前方的光?
    在人類拍攝到首張黑洞照片的發布會上,主持人曾說過一句話:「愛因斯坦又對了」。因此,坊間流傳是愛因斯坦預言了黑洞,但其實愛因斯坦並沒有預言黑洞的存在,他只是創立了廣義相對論並給出了引力場方程,隨後根據引力場方程預言了引力波。
  • 如何用廣義相對論證明黑洞存在?史瓦西半徑又是啥?
    你問為什麼?因為他孤獨,哈哈。還有什麼地方能比只有一朵花,幾棵猴麵包樹的星球更簡單呢。好,我們假設小王子從距離他的星球無限遠的地方開始下落,也就是說從幾乎感受不到引力的地方出發,一點一點加速直到降落在他的星球上。(參考下圖)
  • 霍金推翻自己理論:黑洞不存在 提「灰洞」理論
    霍金推翻自己理論:黑洞不存在 提「灰洞」理論   黑洞理論創始人之一史蒂芬·霍金髮表論文稱,黑洞是不存在的,不過「灰洞」的確存在  黑洞不存在
  • 黑洞是怎麼形成的?為什麼要研究黑洞?
    說到宇宙中最神秘的,很多人腦子裡應該都是黑洞的景象。之前,人類只知道宇宙中存在著行星、恆星、星系,而關於黑洞是什麼,人類是不知道的,自從在宇宙中發現黑洞的存在,人類就特別感興趣,當我們了解黑洞之後,就感覺黑洞是神秘而又吸引人的。那麼黑洞到底是什麼?
  • 光沒有質量,為什麼黑洞可以吸進去?
    勒維耶憑一己之力,根據天文星軌道攝動準確計算出海王星的位置,這是勒維耶的勝利,當然也是萬有引力以及克卜勒行星運動定律的勝利。既然萬有引力定律準確無誤,為什麼愛丁頓還是觀測到光線彎了呢?這肯定是哪裡出了問題,沒錯,這個雷就牛頓在200年前就埋下了,沒引爆只是大家還沒有踩到它,這就是物理學史上著名的烏雲之一:以太牛頓在1687年發表的論文《自然哲學的數學原理》中對萬有引力和三大運動定律進行了描述,但一直有一個問題,到底是什麼傳遞了引力?
  • 地球體積收縮多少倍會變成黑洞?不用愛因斯坦的相對論一樣能計算
    史瓦西半徑公式用牛頓力學計算地球半徑為多少時,地球將變成黑洞上圖的這個公式是史瓦西半徑公式咱們推導出的這個公式與廣義相對論推導出的公式竟然完全一樣,太讓人費解了。科學家給出的解釋是:這是一個巧合。真的是巧合嗎?算了,咱們先不管這些了。如果將地球的質量和光速帶入公式計算,可以得到半徑:8.854mm。也就是說地球體積縮小5.17×10^17倍,才能夠變成黑洞。
  • 量子力學是介於經典力學和相對論之間的理論
    糾纏的粒子有驚人的特性,所以它被量子力學拒之門外。這些特性無法被廣義上的量子力學描述,所以一般認為這些特性還不是量子力學的一部分。量子力學不主張非慣性系下的第二宇宙速度,很難用經典理論和量子理論解釋成薛丁格方程,超弦理論和弦論尚未形成其自洽體系量子力學本身有一些體系設定是與經典力學有衝突的。