都說光是零質量,那黑洞如何吸住光的?

10 個回答
钟铭聊科学
2019-04-19

牛頓力學的禁錮

其實這個問題,其實曾經的數學家和物理學家也都糾結過很長時間,比如:拉普拉斯就是典型的代表。

這個問題的主要的核心在於對於“引力”本質的思考不一樣。

大多數的人其實對於“引力到底是啥”還沒有很強的概念,不知道有多少人問過這個問題?其實牛頓並沒有給出令人信服的解釋,他認為萬有引力是一種超距作用。

大多數人也只是知道高中物理課本里萬有引力公式,強行背了下來。

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實際上,牛頓的萬有引力理論是有基本假設的:時空是平直的。這也被稱為牛頓絕對時空觀。

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愛因斯坦的廣義相對論對於“引力”本質的重新詮釋

不過,愛因斯坦認為這樣的解釋不夠好,超距作用太讓人匪夷所思的。愛因斯坦認為時空並不是絕對的平直,而是可以彎曲的。

都說光是零質量,那黑洞如何吸住光的?

太陽不是存在一個力拉著地球轉,而是因為太陽扭曲了時空,地球沿著測地線在運動罷了。

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也就是說,在愛因斯坦的體系裡,“引力是什麼”給出了一個和牛頓完全不一樣的解釋,引力的本質是時空的扭曲,物質、信息、能量其實都是沿著測地線運動的。光也不能例外,如果周圍有大質量天體的存在,光也會沿著測地線運動,看起來就好像彎折了一樣。

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而在眾多大質量天體中,黑洞幾乎是最凶殘的存在,時空到了黑洞這裡也就完全不是扭曲的問題,是扭曲到令人髮指的程度。

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所以,當光經過黑洞的附近時,同樣要沿著測地線運動,就會向黑洞內部彎曲,而且無法逃離。從觀測者的角度看上,光就好像被吸進了黑洞。

從科學史的角度上來看

自從有了牛頓定律,科學家其實開始研究天體的逃逸速度,具體來說就是如何才能擺脫地球,科學家發現只要達到一定速度,就可以逃脫的地球引力的束縛,於是就把這個速度叫做逃逸速度。逃離地球引力的速度被我們叫做第二宇宙速度,

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而逃離太陽系的速度被叫做第三宇宙速度。

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於是,科學家就在想一個問題,有木有可能存在這麼一種天體,質量大到令人髮指,然後這個天體的逃逸速度就是光速或者超過光速,這樣光不就跑不出來了麼?

拉普拉斯就曾經推導過這個過程,並把這個天體叫做暗星。不過,當時他是站在光是一種粒子的角度出發的,後來光又認為是一種波,於是,拉普拉斯放棄了對暗星的研究。

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到了近現代,經過200多年的爭吵,光最後被認為又具有粒子性和波動性,既是粒子又是波,所以在牛頓定律裡,光也是可以發生偏折的,不過經過仔細的計算,從牛頓定律推導出光線偏折的角度和實際差得比較多,遠不如愛因斯坦相對論推導出來的結果更符合現實情況。

後來史瓦西根據在解愛因斯坦的廣義相對論引力場方程時,發現了兩個bug,並預言其中一個物理意義預示著黑洞的存在,而另一個後來被叫做史瓦西半徑,其實指的就是光不能逃離的天體半徑。

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科学闰土
2019-04-13

如果根據牛頓萬有引力定律,重力對質量為零的粒子沒有作用,所以重力不會影響光。事實上,根據牛頓的萬有引力定律,黑洞就不應該存在,無論引力有多強,光總是能夠逃逸的。然而,牛頓萬有引力定律只有在某些情況下是正確的,當粒子的速度比光速慢得多和引力很弱時。當研究黑洞的工作原理時,需要考慮更普遍的引力定律,也就是愛因斯坦的廣義相對論。

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根據廣義相對論,引力不是一種力!而是時空中的一種扭曲,任何大質量物體都會扭曲它周圍的時空,質量越大,時空扭曲越厲害(上圖)。引力影響任何有能量的東西,廣義相對論中的引力源被稱為應力-能量張量,包括能量密度、動量密度、能量通量、動量通量(包括剪應力和壓力)等。雖然光沒有靜止質量,但它仍然有能量,因此在廣義相對論中會受到引力的影響。因為E=mc2,質量貢獻了大量的能量——所以,質量大的物體有很強的引力場,其他項可以忽略不計,這就是為什麼牛頓引力定律如此有效的原因。

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所以當光穿過一個大質量物體周圍扭曲的時空時,看起來是會發生彎曲,但其實只是大質量物體周圍的時空扭曲了,光線在這個彎曲的時空中還是沿著一條直線傳播光還是走了最短的路徑,雖然看起來有點彎曲,像是影響了光的運動。而黑洞這使空間彎曲成一個點,因此,光其實沿著“直線”進入黑洞的。

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上圖的引力透鏡效應的觀測驗證了愛因斯坦廣義相對論的正確性。

總結一下就是:牛頓認為在沒有其他力的作用下,物體會沿直線運動;愛因斯坦接道,是這樣的,但是直線在彎曲的空間中不是直線。

赛先生科普
2019-04-13

光的零質量是指它沒有靜止質量,但它仍具有相對論質量,畢竟只要用結合質能方程和能量子假設E=hv,即可求出相對論質量。但實際上問題的關鍵點在於:萬有引力定律和廣義相對論是兩種完全不同的引力理論,從本質上二者對引力的描述是不一樣的。都說光是零質量,那黑洞如何吸住光的?

在相對論之前,實際上早有科學家計算過光線被太陽引力吸引而偏折的角度,不過我們要注意:計算的前提是承認光子具備質量的(只需承認光子具備質量,而不需具體的表達式,因為這個質量在計算中會直接消去),也就是牛頓力學中的質量,之後在利用萬有引力定律即可求出偏折角度。都說光是零質量,那黑洞如何吸住光的?

而且有意思的是,利用萬有引力定律計算出的偏折角,和愛因斯坦在廣義相對論完整提出前的計算結果基本一致,雖然過程看上去並不相似,那時愛因斯坦還沒有將時空彎曲的因素考慮在內。

那麼在廣義相對論中,黑洞是如何吸住光的呢?簡單來說,我們不要講引力當做力來看,而是時空彎曲的體現,光實際上都在走所謂的測地線,也就是最短路徑,在平直時空裡,這個路程就是直線,而時空彎曲後,光的路線在我們看來也就跟著“彎”了,雖然從光本身的角度而言,它一直走的最短路徑。都說光是零質量,那黑洞如何吸住光的?

總的來說,牛頓的萬有引力定律只是廣義相對論的弱場近似;與其說光被黑洞吸住,不如說光線掉進了黑洞“迷宮”,永遠走不出來。

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阿怪看世界
2019-04-12

解釋一

對於光子質量的定性問題,目前科學界主流意見是這樣的:

根據愛因斯坦相對論的解釋,光子不具有靜止質量,也就是題主說的“零質量”;但是光子是具有動質量的,有一個“光壓”實驗就可以對光子動質量的說法進行佐證(光壓即因光的照射對物體表面產生的壓力,1901年由俄國物理學家列別捷夫首次測量到,雖然光壓極其微弱,但仍然能被測量到,這就表明運動的光子是具有動能的,自然也就存在動質量)。

所以,在黑洞強大的引力效應下,具有動質量的光被“吸住”也就不難理解了。


解釋二

也有部分科學家一直反對愛因斯坦相對論中關於“動質量”的說法,他們表示運動的物體會隨著速度增加而質量變大這回事是不可理喻的,他們認為質量是物質的固有屬性,質量不會因為物質的狀態改變而發生變化。

不可否認,這類說法也有一定的道理,那麼如果按照這個邏輯,也就是題主說的“零質量”的光子,如何解釋黑洞吸引光這回事呢?

我想,即使站在這類“零質量”光子觀點的立場上,也還是可以解釋的。

依然是通過愛因斯坦的廣義相對論理論來解釋:

廣義相對論中提到,質量物體會引起其周圍時空的彎曲,質量越大時空彎曲得越厲害。如何理解這種“彎曲”呢,我們可以這樣想象,把一個魚缸裡的看成是時空,把一團壓縮的海綿看成是質量物體,當把海綿放到魚缸中後,會看到周圍的水(時空)會向海綿匯聚,海綿吸水能力越強就相當於物體的質量越大,這個過程就類似於質量物體使其周邊時空發生彎曲的現象。

那麼對於黑洞而言,因為其質量極大,對時空的彎曲也極為厲害,特別是在以黑洞為中心,向外延伸的某個範圍內(也就是專業術語所謂的:事件視界)時空完全向黑洞縮聚(可以理解為時空在這個範圍內被黑洞彎曲成了一個向內閉合的“球殼”),所以一旦任何物質運動到了這個範圍內,就再也“逃”不出去了,因為這個範圍內的空間就沒有向外的出路。

那麼,按照以上的理解,“零質量”的光就是這樣被黑洞“吸住”的。


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都說光是零質量,那黑洞如何吸住光的?

民科小才女
2019-04-13

這個問題很有意思,因為很多人都知道黑洞可以將光線吸納進去,但是卻很少有人去質疑為什麼光會被吸納,畢竟光是沒有質量的,是不受萬有引力的影響的。

其實,如果沒有看到這個問題,那麼小才女還真沒意識到這一點,看到後才瞬間明白,光無法逃逸出黑洞的原因,個人的觀點認為,這並不是因為黑洞奇點擁有超大的質量從而使得其視界範圍內擁有無限大的引力而使得光線被引力吸納,進而導致光線無法逃逸的。那麼光線無法逃逸黑洞的根本是什麼呢?那就是時空的彎曲。
都說光是零質量,那黑洞如何吸住光的?

有人應該會知道愛因斯坦一個關於時空的預言,那就是其他恆星發出的經過太陽附近的星光會因為太陽引力的緣故而使得光線產生彎曲的現象。這預言的本質就是因太陽質量過大而導致的時空彎曲,後來經過科學的觀察發現,愛因斯坦的這個預言是正確的,大質量天體的存在會使得天體周邊的時空產生彎曲,同樣,在黑洞附近的時候也是如此的。

黑洞的視界之內,由於時空彎曲的弧度已經嚴重到捲曲到了其視界範圍之內,實則光線射進了黑洞視界內後,並非是被黑洞強大的引力吸納的,而是由於其視界內的時空彎曲到光線根本無法再折射出來,而被誤認為光線是被黑洞吸納的假象。其實,光線本身的走向是在時空內傳播,空時怎麼彎曲,光線也就怎麼彎曲怎麼走了。

有初有终
2019-04-14

質量分靜質量跟動質量,宏觀物體兩者無差別,但在微觀領域,兩者差別很大。

光從它誕生的那一刻起那就是以光速傳播的,具有動質量,我們知道光子其實就是特殊的電磁波,它要麼是光速,要麼速度為零。
都說光是零質量,那黑洞如何吸住光的?

  • 光子以光速傳播時是有動質量,所以也受到引力的影響,自然就會被黑洞強大的引力吸走。
  • 當速度為零時光子質量變為零,即靜質量為零,這個時候光子發生湮滅,依照愛因斯坦質能方程E=mc^2釋放能量,這些能量又可能變成正負電子對等其他粒子。
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科学探索菌
2019-04-16

光子的質量為0說的是靜止質量。

根據萬有引力定律,兩個有質量的物體才能夠相互吸引。光沒有靜止質量,為什麼黑洞能吸引光並改變光的傳播路徑?

根據波粒二象性,光既是波又是粒子。光子雖然沒有靜止質量,但是卻有動能,根據質能方程,我們就可以計算出單個光子所具有的質量,稱之為動質量。由此可見,光能被黑洞吸引也就不足為奇了。

其實更準確的解釋認為,引力是一種時空的幾何效應。在廣義相對論中,引力這個概念可有可無,取而代之的是時空彎曲。有質量的物體能夠彎曲時空,且質量越大,對時空的彎曲效應越強。當光經過被彎曲的時空時,就會被改變傳播路徑,如果進入黑洞視界範圍,就出不來了。在我們看來,光被黑洞所吸引了。
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黑洞的中心是一個奇點,目前的理論認為奇點沒有體積,即密度無限大,該點的時空曲率為無限。通常所說的黑洞體積是指的黑洞的史瓦西半徑,也就是視界半徑。黑洞視界面處的逃逸速度大於光速,因此連光也逃不出來。
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自由媒体
2019-04-13

承邀

世界上沒有所謂的曲與直,正如哲學家所說的世界上沒有所謂的對與錯。光束經過特殊情況的時空,為什麼彎曲不見(被吸引)了呢?這個情況不與光束有無質量有關。愛因斯坦這傢伙認為:物質被引力吸引不是因為它具有質量,而是它走入了一個彎曲的時空,是時空導引了它的運動軌跡。那麼是什麼東西引起時空彎曲才與質量有關,認為是質量把時空彎曲了,就象一個鋁球壓凹了床墊。

正因為這一荒唐理論,讓這個本來荒唐的世界更加混亂。從愛因斯坦偏執腦子裡,把直線飛馳的馬車也看成直線運動。其實他忽略了所有馬車行駛在球狀的地球上,無論道路怎麼樣筆直,也是一個圓,就如赤道,在愛因斯坦這個笨蛋眼中是一條直線,但如果我們站在地球之外看赤道,恰恰是一個圓。科學界信奉愛因斯坦胡說光束永遠直行,無需介質傳播,但卻忘記了是時空就是介質,而且這個時空是隨機的,永遠不是平直的。

我們看著直線向前行的汽車離我們遠去漸漸消失看不見了,並不是汽車被地球引力吸入地獄,而只不過是它沿著彎曲地面行駛到海岸線下而己!

世界上沒有直線運動,光束也是。

世界上沒有引力,是特別的時空讓物體改變了運動軌跡。

黑洞不是一個天體,它是一種特殊的空間現象,渺小的人類永遠看不透偉大的宇宙,正如完美的自然永遠不能滿足貪得無厭的人類。

物理新视野
2019-04-12

謝邀。黑洞視界理論,只是一個理論,尚未公認是一個科學原理。筆者認為,這個理論經不住物理邏輯的推敲。

為敘述方便,筆者把信奉黑洞視界理論的流派,且稱廣相派。以下談幾個要點。
都說光是零質量,那黑洞如何吸住光的?

▲黑洞噴流

其一:廣相派的一系列理論,本身就是自相矛盾、互不協變的。既然按視界論,在視界範圍,任何物質與電磁波,一律只進不出,那麼就無法解釋霍金輻射(蒸發)與黑洞噴流。
都說光是零質量,那黑洞如何吸住光的?

▲霍金輻射

其二:運動是物質的存在方式,不運動的物質不存在。既然有物質的運動,就必然會激發電磁波與引力波。

黑洞不過是超大恆星的塌陷產物,這個不妨可以信:根據萬有引力定律:F=GMm/R²,引力與天體質量M成正比。

當質量大到突破核外電子的簡併壓,即克服電子電荷(e)與核電荷(Ze或e⁺)之間的庫侖力:F≥ke²/R²=4.35×10⁻⁶N,原子半徑(R=53pm)壓縮到原子核半徑(r≈1.5fm)的尺度,變成中子態,即中子星或黑洞。此時,

原子密度擴大或體積縮小了(R/r)³=4.4×10⁵倍。如此巨大的密度,不但不會出現所謂的玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)或中子湯(soup),

假如太陽變成中子星或黑洞,其半徑70萬千米就變成了1.59千米。

反而是:中子態下的高能電子繞質子的運動速度極高,由原來的v=0.16c幾乎達到準光速,提高到即便v=c(湮滅速度不太可能)。

此時,中子態屬於超高溫凝聚態,而BEC是超低溫超流態,二者的物理意義截然不同。

核內電子激發的電磁波頻率按光電效應方程:f=½mv²/h=6.18×10¹⁹Hz,屬於典型的伽瑪射線。因此,黑洞至少會輻射高頻電磁波。
都說光是零質量,那黑洞如何吸住光的?

這就證明了,所謂黑洞會禁閉電磁波,或者說,電磁波無法被激發出來是一個偽命題。

其三:關於光子究竟有沒有質量。物理新視野認為:光子作為真空場的基本單元物質,其質量恆為電子質量,是制約或維持電子獨立存在的場量子。

只是最大的光子密度比電子密度要小(3.9e-13/2.82e-15)³=2.65×10⁶倍。儀器幾乎檢測不到,所以通常,光子質量就是被忽略了。

其四:說“黑洞密度無窮大”。說明這是一個偽命題,至少有兩個理由。

①密度無窮大,就意味著中子態的質子與電子之間毫無間隙,電子與質子都緊貼在一起而絕對停止了運動,這顯然是荒謬的。

②事實上,質子本體的半徑只有0.0015費米,而作為複合粒子的中子半徑大約是0.15費米,電子也將被高度壓縮,中子態的內空間依然是相當廣闊的。

其五:光子是真空場的場量子,具有真空引力場的所有特性,有萬能吸引力,即可以穿越(當電子能隙較寬)或被吸納在任何物體中。

當然光子也極容易被黑洞所吸納。但是,很難穿越黑洞。

因為中子態中的高能電子運動速度太快,電子能隙太窄,幾乎不可能穿越。

即便是普通的晶體物質,光子也不能穿越。通常,光子只能穿越玻璃體之類的介質。

結論:

1. 黑洞的視界理論,是不可置信的;

2. 黑洞密度無窮大,是一個偽命題。

3. 黑洞的奇點學說,是一個偽學說。

4. 光子有固定質量,只是密度極小。

5. 光子真空場單元,吸引任何物質。

Stop here。物理新視野與您共商物理前沿與中英雙語有關的疑難問題。

诚心诚意7234
2019-04-13

大家都知道,電與磁的關係。用右手拇指向上其餘4指緊握的方式,比作一線圈時,該線圈一旦按4指方向為電流方向通電時,向上的拇指方向為北極,逆拇指指向的方向為南極。

近日全世界公佈的黑洞,與上述電磁的原理所類似,只不過黑洞是一個超大的、永動的、同樣具有超大磁場、超大電流的“線圈”。

有黑洞(黑色區域),其相反方向便有白洞(白色區域)。黑洞是超大線圈的南極,超大的“南極”超快的速度吞噬包括光在內的一切物質。而白洞是超大線圈的北極,其功能與南極等同,只不過方向相反(拋物),相當於人類所見的太陽那樣永不停息地向太空拋出萬丈射線和萬丈光芒。

至於黑白洞的起源,是宇宙大爆炸所形成也能說得通。

本人憑自己的瞎想,胡說一通,讓朋友們一笑了之。謝謝大家!

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