在廣袤無垠的宇宙里,有那么一種星體,它的存在挑戰(zhàn)著我們對宇宙的認(rèn)知,對物理學(xué)的理解,那便是黑洞。這些難以置信的神秘天體,集結(jié)了宇宙中最密集的物質(zhì),將一切質(zhì)量擠壓至一個無盡微小的區(qū)域,稱之為奇點。而它們的引力場之強(qiáng),甚至可以捕獲光線,讓黑洞變成了名副其實的“宇宙引力陷阱”。 這里出現(xiàn)了一個讓人不解的問題:我們通常認(rèn)為只有具有質(zhì)量的物體才能產(chǎn)生引力,而光并沒有質(zhì)量,那為何它會被黑洞所吸引呢? 讓我們先來粗略認(rèn)識一下黑洞。盡管現(xiàn)代物理學(xué)難以完整闡述黑洞的具體性質(zhì),尤其是其內(nèi)部的奧秘,但我們對黑洞的形成過程已有了較為深入的了解。 一個黑洞的誕生,往往以一顆質(zhì)量巨大的恒星終結(jié)生命為起點,在物質(zhì)急劇向中心坍縮的過程中,無窮的引力會將一切物質(zhì)壓縮至一個體積近乎于零、密度無窮大的點,即奇點。 正是因為黑洞奇點體積的微小,導(dǎo)致其密度無窮大,從而產(chǎn)生了超乎尋常的引力場,使得一切越過其事件視界的物體,無論遠(yuǎn)近,都難逃其“引力魔掌”,永無歸途。 盡管光速高達(dá)每秒三十萬公里,在黑洞面前卻也顯得無力抵抗。如果一個物體以光速繞黑洞飛馳,它恰好能沿著事件視界運動,既不會被吸入,也無法逃離。想要擺脫黑洞的引力,唯有超越光速,然而,在我們的四維宇宙中,這是不允許的。 換言之,黑洞的逃逸速度超越了光速,然而受限于宇宙中的光速限制,一旦某物陷入黑洞,便注定被其無情吞噬。 當(dāng)我們對黑洞有了更深入的了解后,讓我們再從牛頓的萬有引力定律角度來審視引力作用。牛頓的理論指出,引力的大小與物體的質(zhì)量成正比,與它們之間的距離的平方成反比。 此外,牛頓的理論還告訴我們,引力作用是瞬時的,或者說,引力擁有超距作用的特性。 然而,隨著物理學(xué)的發(fā)展,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),如果引力真的具有超距作用,很多自然現(xiàn)象將無法得到解釋,存在諸多矛盾。 時間推進(jìn)到20世紀(jì)初,愛因斯坦的相對論,讓我們對引力的本質(zhì)有了更深刻的認(rèn)識。 廣義相對論告訴我們,引力其實是時空彎曲的反映,時空的幾何性質(zhì)便是引力的實質(zhì)。換言之,引力僅是表象,時空的彎曲才是核心。質(zhì)量愈大,對周圍時空的彎曲程度愈甚。 這里需要澄清的是,關(guān)于時空彎曲的示意圖,很多都存在誤導(dǎo)性。例如有的示意圖將時空彎曲比喻為彈簧床受壓的情形,但這并非真實情況,這樣的比喻僅是為了讓大眾更易理解“彎曲”這一概念,實際上并不嚴(yán)謹(jǐn)。太空中沒有“上下”之分,時空也不可能向下彎曲。準(zhǔn)確的說,時空是朝向物體的質(zhì)心方向彎曲的。 再來探討一下光子。我們通常說的“光子沒有質(zhì)量”,其實更準(zhǔn)確的說法應(yīng)是“光子沒有靜質(zhì)量”。因為光子始終以光速運動,從不減速,所以沒有靜質(zhì)量。 但根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程,光具有能量,能量也能表示為質(zhì)量,故光子擁有動質(zhì)量。 盡管光子的動質(zhì)量微乎其微,但面對黑洞無限的密度,依然難逃被吸引的宿命,成為黑洞引力的俘虜。 從時空彎曲的視角看,黑洞吞噬光線的過程會更易于理解。黑洞能將周圍時空極度壓縮,形成一個無限深的“重力井”。宇宙中的所有物體,都會沿著彎曲的時空,走測地線運動。 當(dāng)光線不幸進(jìn)入被黑洞壓縮至無限深的“重力井”時,即便光速再快,也無處可逃,面對無窮大的井深,任何速度都會顯得渺小無力。 當(dāng)然,不是所有天體都能像黑洞一樣影響時空,大多數(shù)天體對時空的改變有限,我們通常無法直觀感受到它們的影響,只能借助精密設(shè)備去觀測時空彎曲的現(xiàn)象。 例如,科學(xué)家們早已通過精密設(shè)備觀察到,太陽附近的光線會發(fā)生彎曲,這一現(xiàn)象被稱作引力透鏡,是廣義相對論的有力證據(jù),生動展現(xiàn)了時空彎曲如何引發(fā)引力透鏡效應(yīng)。 綜上所述,光子之所以會被黑洞所吞噬,可以被看作是陷入了一個時空彎曲至無限的“陷阱”之中,爬不出來。若想逃脫,理論上唯有超越光速方能成功,但超光速恰恰又是被自然法則所禁止的。 |
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