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黑洞吞噬一切,但光沒有質量,為何會被黑洞的引力彎曲甚至吞噬?
2023/02/10

黑洞作為宇宙間一種質量和密度都極高的天體,它能夠吸引并吞噬周圍一切的物質,且能夠將這些物質牢牢束縛在自己的史瓦西半徑之內。

沒有任何物質可以從黑洞之中逃逸而出,其中也包括宇宙中運動速度最快的光,而這也是黑洞名字的由來,既然進入黑洞的光無法再次出來,所以黑洞的視界內部便成為了一片永遠不可見的區域,對這片區域用「黑」來形容再恰當不過了。然而,這里有一個令人不解的問題,那就是為什麼光無法從黑洞之內逃逸而出?極高的質量和密度賦予了黑洞極為強大的引力,但光并不同于其它的物質,它沒有質量。我們知道,任何具有質量的物體之間都具有相互的引力作用,然而光沒有質量,為什麼也會被黑洞的引力所吸引呢?要解答這個問題,我們首先必須要從光的質量說起。

說光沒有質量是不夠準確的,光并不是沒有質量,它只是沒有靜止質量而已。

任何具有靜止質量的物體,在運動的過程中會產生慣性質量,而慣性質量等效于引力質量。隨著運動速度的提高,物體的慣性質量會大幅增加,根據質能方程可知,當運動速度接近于光速時,慣性質量也趨近于無窮大,而繼續加速也就需要無窮大的能量,而宇宙中不存在無窮大的能量,所以也就不可能將一個具有靜止質量的物體加速到光速,因此光這種沒有靜止質量的物質就代表了宇宙間最快的運動速度。

光子沒有靜止質量,但同時光子也并不會靜止,光子從誕生就處于運動之中,并始終以光速進行運動。光子既然是運動的,那麼就必然具有運動質量,而要計算出光子的運動質量也并不是一件困難的事情。

因為光速為每秒299792458米恒定不變,而光速就等于波長乘以頻率,所以不同的光也就具有了不同的運動質量,因為波長的不同會導致頻率的不同,計算得出的運動質量也就不同,但有一點是相同的,就是它們的運動質量都非常微小。

既然光始終處于運動之中,也就始終具有運動質量,而有質量就有引力,所以自然就會和其它物體產生相互的引力作用,所以光被黑洞吸引也就沒有什麼稀奇的了。說到底,光是如何被黑洞所吸引的呢?這我們還是要從引力的本質說起,廣義相對論認為引力的本質就是時空彎曲的幾何效應。有質量的物體會導致時空的彎曲,而質量越大,其周圍時空彎曲的程度就越大,而對于黑洞這種質量極其巨大的天體而言,它周圍的時空已經被極度彎曲了。

為了便于理解引力對于光的吸引,我們可以進行這樣一個思想實驗,首先,讓我們在地上挖出一個坑,在坑中放上一個球,代表一個大質量的天體,而這個坑就代表了大質量天體所引起的周圍時空彎曲。

現在我們再拿一個小球,將它放置在坑的范圍之內,很自然的,它會向坑底的大球滑落,最終和大球貼在一起。這個畫面形象地描繪了大質量天體所引起的時空彎曲對范圍內物體的引力作用。現在,如果我們想要讓小球擺脫這個大球的引力范圍,應該怎麼做呢?我們可以把這個小球向坑上彈,如果這顆小球的速度不足,那麼它會再次滑落回大球的身邊,如果這個小球達到了一定的速度,但是速度還不足以使它滾出坑邊,那麼它會環繞大球運動并滑落回大球的身邊。

請注意,環繞大球運動的小球之所以會再次滑落大球身邊,是因為坑與球之間存在摩擦,減慢了小球的運動速度,但宇宙是一個幾近真空的環境,所以小球的速度不會下降,因此會一直圍繞大球運動,這就是為什麼衛星進入地球軌道之后可以一直圍繞地球運動的原因了。

如果這顆小球的速度更快,能夠一下子沖出坑邊,那麼它就擺脫了大球的引力范圍。物體質量越大,所造成的時空彎曲程度就越大,想要沖出去就需要更高的速度,而黑洞的質量實在是太大的,會導致周圍的時空發生極度的彎曲,所以即使是以光速運動也無法離開黑洞的引力范圍,換言之,黑洞的逃逸速度超過了光速,所以包括光在內的一切物質,只要進入了黑洞的史瓦西半徑,便無法再次離開。

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