
光为什么不能从黑洞中逃脱?
用牛顿力学的观点解释,就是这个天体的引力太强,把光都吸引住了,跑不出去。
用爱因斯坦的相对论解释,就是光陷入了一个自我封闭的引力阱中,跑不出去。
每个星球都有它的脱离速度,也叫第二宇宙速度或逃逸速度。就是物体从一个星球表面出发,摆脱一个星球的引力,到宇宙空间去所需要的速度。地球的第二宇宙速度是11.2千米/秒。就是说,如果从地球上发射一个航天器,如果它的速度达到或超过了11.2/秒,它就能摆脱地球的引力,成为一个在太阳系中遨游的航天器了。
一个星球的第二宇宙速度与星球的质量和密度有关。质量越大,引力越强,这个速度就越大;同等质量的情况下,密度越大,星球的半径越小,引力越集中,这个速度也越大。月球的质量、密度和半径都比地球小,它的逃逸速度就只有2.4千米/秒,而太阳要比地球大得多,所以太阳的逃逸速度高达617.7千米/秒。那就可以设想出一种星球,它的密度非常大,半径非常小,因而引力极强,它的逃逸速度大到可以达到光速。这样一来,从这个星球表面发出的光就跑不出来了。从外界进入到这个星球引力范围的物体(包括光)也无法再跑出这个星球。那么,从远处看,这个星球就不会发光,就是黑的。这就是黑洞。这是黑洞的牛顿解释。
在爱因斯坦看来,质量能造成时空的弯曲。质量越大,时空弯曲得越厉害。那么就可以设想出一种天体,它的质量足够大,造成的时空弯曲能够使一定范围内的时空弯曲到它自身,使一部分时空结构自我封闭起来,使内部所有的物质(包括光)都无法离开,来自外面的物体(包括光)一旦进入这个封闭区域,也无法再离开。这就使这个时空区域成为宇宙中的一个引力陷阱,成为一个无底洞。这个区域的边界,叫黑洞的“视界”。从远处看,这个区域就是黑的。这就是黑洞。这是黑洞的相对论解释。
下图中的r=2M以下,就是这样一个时空区域。就是一个黑洞。