在宇宙中,光没有质量,黑洞为什么可以吸住光?
因为黑洞附近的空间环境是扭曲的,因此在外部观察者看来,光子被黑洞所吸引了。我们都知道,可观测宇宙内,黑洞是我们迄今为止发现的最恐怖的天体之一。他神秘莫测,盘踞在宇宙中任何一个角落;
可怕的吞噬能力让任何人对他都是望而却步。今年上半年,NASA公布了太阳系边缘很大可能有一颗微型黑洞的消息,也是震惊了全世界,引发了无数网友的恐慌。
黑洞的庞大引力,几乎膨胀到了无所不至的地步。据说,连以宇宙中最快速度运行的光子,一样会被黑洞所捕获;不过话说回来了,光不是一种有质量的物体,而是没有质量的能量体;为啥它会被黑洞所吸引呢?
这个问题相当有趣。实际上, 黑洞理论刚刚被创造的时候,上世纪美国著名物理学家史瓦西,就是本着“史瓦西奇点的无限坍缩能够扭曲光”的基本设想进行思考的。
史瓦西奇点,就在黑洞的吸积盘中心,是它让黑洞有了恐怖的吞噬能力。据爱因斯坦的广义相对论,引力的本质就是对时空环境的一种扭曲;时空的变化引发引力的波动,引力的波动让时空环境随之紊乱;
黑洞,就是引力已经坍缩到了极致的一个点。因此,它周围的空间,已经扭曲复杂到了难以分辨的地步;在外部观察者看来,光子经过黑洞的史瓦西半径时,被这些空间所携裹,就像是它们被黑洞捕获了。
不过,这是因为人类只能从三维角度出发看待事物,从而产生的误判。实际上,假如我们从黑洞中心看观察光子运动的话,会看到光以一种极快的速度逃出了黑洞的影响半径。
这其实,就是“广义相对论”,在一九三零年带给人类的预言之一。
想要回答这个问题得先知道什么是黑洞
黑洞的定义
黑洞是现代广义相对论中,存在于宇宙空间中的一种天体。黑洞的引力极其强大,使得视界内的逃逸速度大于光速。故而,“黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体”。
黑洞的引力可以理解为它具有无限质量引起的。因为根据万有引力定律,当质量趋向于无穷大时,那么其引力也会趋向于无穷大。所以当光有质量时,被吸住是正常的,但光是没有质量的呀,这怎么可能吸得住的呢?
那还是要理解一下什么是光和光子了。
光和光子
光是由光量子组成的,光量子有动态质量,无静态质量。电磁辐射的量子,传递电磁相互作用的规范粒子,记为γ。其静质量为零,不荷电,其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积,ε=hv,在真空中以光速c运行,其自旋为1,是玻色子。早在1900年,M.普朗克解释黑体辐射能量分布时作出量子假设,物质振子与辐射之间的能量交换是不连续的,一份一份的,每一份的能量为hv;1905年A.爱因斯坦进一步提出光波本身就不是连续的而具有粒子性,爱因斯坦称之为光量子;1923年A.H.康普顿成功地用光量子概念解释了X光被物质散射时波长变化的康普顿效应,从而光量子概念被广泛接受和应用,1926年正式命名为光子。量子电动力学确立后,确认光子是传递电磁相互作用的媒介粒子。带电粒子通过发射或吸收光子而相互作用,正反带电粒子可湮没转化为光子,它们也可以在电磁场中产生。
根据广义相对论,引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时,它的引力场对时空几乎没什么影响,从恒星表面上某一点发出的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小,它对周围的时空弯曲作用就越大,朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。
等恒星的半径小到一特定值(天文学上叫“史瓦西半径”)时,就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时,恒星就变成了黑洞。说它“黑”,是指它就像宇宙中的无底洞,任何物质一旦掉进去,“似乎”就再也不能逃出。
光在黑洞中发生的那些事
我们都知道,光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论,空间会在引力场作用下弯曲。这时候,光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播,但走的已经不是直线,而是曲线。形象地讲,好像光本来是要走直线的,只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。在地球上,由于引力场作用很小,这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围,空间的这种变形非常大。这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以,我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的隐身术。