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光都不行:引力如何逃脱黑洞?太奇妙了

2016-10-2 23:39| 发布者: funinusa_admin| 查看: 3139| 评论: 0

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摘要: 美国华人网-科技新闻-光都不行:引力如何逃脱黑洞?太奇妙了 没有什么能超过光速,而黑洞能陷住包括光在内的一切东西。那么,引力是如何逃脱黑洞的呢?这个问题很有趣,这能让大多数人真正理解引力。 答案是,引 ...

美国华人网-科技新闻-光都不行:引力如何逃脱黑洞?太奇妙了


没有什么能超过光速,而黑洞能陷住包括光在内的一切东西。那么,引力是如何逃脱黑洞的呢?这个问题很有趣,这能让大多数人真正理解引力。

答案是,引力的作用方式并不是一般人所想的那样。

光都不行:引力如何逃脱黑洞?太奇妙了

对于引力最直观的认识无外乎这是两个物体之间的作用力。例如,地球对月球施加引力,而月球对地球亦是如此。

牛顿在发现万有引力定律时,就使用了这种引力的“力学模型”。直到1900年代早期,这才被确定为引力理论,至今我们仍在使用。但在构造这个引力模型时,使用了一些假设。

假设我们有一个只有单一质量的宇宙。想象一个朝四面八方延伸的空间,所有质量都集中在其中心,我们记为A。那这样的质量是否具有引力

?如果引力只是一个物体与另一个物体之间的相互作用力,那么这个答案就是否定的。没有其他的质量能给A施加引力,所以没有引力。

如果在这个宇宙中增加一个质量,记为B,那么B和A将会互相施加力的作用,这样引力就会存在,但引力只存在A和B之间,而宇宙的其他空荡地方则就没有。

光都不行:引力如何逃脱黑洞?太奇妙了

这个力学模型存在的一个问题就是它需要质量跨空间对另一个质量施加力的作用。这个“超距作用”的问题由法国数学家、天文学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)在19世纪初部分解决。

他的想法是,质量肯定是通过某种能量与另一个质量产生关联,他称之为场。另一个质量把这种场感受为一个作用于它们身上的力。

所以如果我们再次想象一个孤独宇宙中的质量A,我们会说A有一个围绕着它的引力场,即使宇宙中没有其他质量。这消除了超距作用的需要,因为当我们把质量B放入到宇宙中时,它只是感受到这个位置的引力场,并受到引力的作用。我

们知道这个引力场是由于一些距离外的A,而B只是感受到在其位置有一个引力场。

这个力学模型和牛顿万有引力的引力场模型都给出了相同的预测,所以在实验上这二者并无区别。

然而,场的概念更容易用数学来处理,并且场也被用来描述电和磁之类的东西,所以我们一般把牛顿引力视为一种场。

但这又会引发另一个问题。假设在A和B的宇宙中,我们突然改变A的位置,那B感受到这个改变需要多长的时间呢?换言之,如果我们改变了A的位置,这个改变将会以多少速度在引力场中传播呢?

当拉普拉斯思考这个问题时,他发现引力场中的变化会立即发生,“引力的速度”将会是无限的。

例如,如果引力以光速传播,地球所围绕的引力中心将是8.3分钟前的太阳位置(光从太阳传播到地球需要8.3分钟的时间),因此,地球的轨道会随着时间的推移而变得不稳定。

当时,认为引力作用的速度是无限的这个观点并不被视为一个问题。事实上,它是用作一种论据来反驳当时所提出的替代引力观点。

但在20世纪早期,爱因斯坦提出了狭义相对论,指出没有什么能超过光速。如果是这样的话,那么我们的引力理论就会出问题了。到了1915年,爱因斯坦提出了一种新的引力理论,这就是广义相对论,它同时能满足牛顿的引力模型和狭义相对论。

光都不行:引力如何逃脱黑洞?太奇妙了
今年年初,LIGO已经成功探测到引力波

根据理论,当两个大质量天体(如中子星)互相环绕时,它们就会产生引力波,并向外辐射出来。这些引力波将会以光速传播。而在今年年初已经成功地探测到了引力波的存在。

但如果引力以光速传播,这是否意味着天体的轨道肯定不稳定?事实上,并不是的。

当拉普拉斯研究有限速度的引力时,他只考虑了引力速度的影响,但在狭义相对论和广义相对论中,有限的光速会导致其他影响,如由于相对运动产生的时间膨胀效应以及质量的明显改变。

在数学上,这些效应是源自庞加莱不变性的性质。由于这种不变性,引力的时间延迟和时间与质量的速度依赖效应相互抵消,这样有效的质量就会吸引有质量的地方。这种抵消效应意味着,对于轨道运动而言,引力就好像是瞬时作用的。

但是等一下,既然引力场有一个有限的速度,那怎么又能产生瞬时作用呢?实际上,引力场并不能这样,但在广义相对论中,引力不是一种能量场。

早在牛顿之前,一般都会假定在特定的时间下,物质和能量场在空间中会相互作用。通过这种方式,时间和空间可以被视为一个事情发生的背景。空间和时间被视为可以度量的宇宙网格。

在发展狭义相对论时,爱因斯坦发现,空间和时间不能是一种绝对的背景。

牛顿认为,同一时间发生的两个事件,在所有观测者看来都是同时的,但是爱因斯坦发现,光速的恒定需要“现在”这个概念是相对的,以不同速度移动的不同观测者会对事件发生的顺序产生分歧。

光都不行:引力如何逃脱黑洞?太奇妙了
地球附近的时空扭曲

这一原则在爱因斯坦的引力理论中被发扬光大。在广义相对论中,引力不是一种能量场。相反,质量扭曲了空间和时间之间的关系。

如果我们回到之前的例子中,如果我们把质量A置于一个空无的宇宙中,其周围的空间和时间的关系被扭曲了。当我们把质量B置于附近时,其周围的时空扭曲意味着会朝向质量B移动。

这看起来就像B被一股力拽向A,但实际上这是由于时空扭曲的事实。

正如物理学家约翰·惠勒曾经说过:“时空告诉物质如何移动;物质告诉时空如何弯曲。”

这就是为什么引力作用看似瞬时,但引力波却以光速传播。引力并不是一种在时空中传播的东西,引力就是时空。

黑洞由于其庞大的质量,是一种极端扭曲时空。这样的时空扭曲可以阻止光和物质逃脱。但时空扭曲也是引力,它不需要逃离黑洞,因为它就是黑洞。



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