
关于这样的一个问题,史蒂芬·汉姆给出了过错的答案。他以为一切在测地线上运动的天体,不管其质量巨细,都做部分直线运动,光线也不破例。当质量大的天体快速运动时,光线运动途径是天体运动途径的极限。可是,当运动速度抵达极限时,天体质量就会变成零,以坚持能量守恒。
重力是由能量而非停止质量决议的。光和物体中的能量正是招引其他天体运动的暗地之手(当然,来自各种当地的动量、力气和压力也起着非必须效果)。假如你往一个箱子上照一束光,反射到镜子上,依据能量,它与其他任何事物相同受引力招引。这并不令人惊奇,由于当箱子吸收了光子的时分,用光子质量除以c^2,可知箱子的质量上升了。
重力偏转了光线,还引发了一种逆反应——光线拉回了重力。这是为了在渐趋平整的布景中坚持动量。
关于黑洞来说,考虑继续加快的调查者,状况现已很清楚了。这个继续加快的调查者感触到了部分重力场,但这个部分引力场没有时空的曲率,这是由于运动。你调查这个(?)的办法是由于相对论是毕达哥斯拉定理中带有负号的几许,加快的时刻的曲率,一个圆 x^2 + y^2 = R^2 曲率的半径稳定,所以双曲线x^2 - t^2 = (1/a)^2是稳定加快度。
图解:这是人类史上首张黑洞相片。图源:cqrb.
这条双曲线有渐近线,是调查者从未观测大的、来自起点的光线。关于双曲线的右分支来说,任何更趋近于左边而非渐近线的光线都永久都不或许抵达加快度的观测者所在方位。观测者从加快度的飞船中扔出去的任何物体,都会穿过这条光线并被堵截通讯。
这个观测者会感到被一面巨大的吸收万物的黑色墙面追寻。墙外的光线永久都不或许抵达观测者所在方位。这堵墙还在与加快度成份额的温度下发光发热。
黑洞便是这样一堵黑墙收缩成的一个球。当你接近黑洞时,你能够在原处进行加快,此时视界与加快度“黑墙”——伦德勒时空简直无法差异。可是假如你离得很远,黑洞在你的视界中便是重力的一个起源点。由于地平线是一个球,进入这个球的任何光线都不或许再逃离出来——光线被困住了。
原处调查者宣布的光一向继续到无限的霍金辐射布景中。
图解:霍金辐射,是一种关于黑洞的理论。在“真空”的世界中,依据海森堡不确定性原理,会在瞬间随便发作一对正反虚粒子,然后瞬间消失,以契合能量守恒。在黑洞视界之外也不破例。斯蒂芬·威廉·霍金推想,假如在黑洞外发作的虚粒子对,其间一个被招引进去,而另一个逃逸的状况。假如是这样,那个逃逸的粒子获得了能量,也不需求跟其相反的粒子湮灭,能够逃逸到无限远。在外界看就像黑洞发射粒子相同。这个猜测中的辐射被命名为"霍金辐射"。由于它是向外带去能量,所以它是吸收了一部分黑洞的能量,黑洞的质量也会逐渐变小,消失;它也向外带去信息,所以不违背信息规律。图源:baike.
依据爱因斯坦的广义相对论,光线受重力的影响与物体受重力的影响相同。这是由于在这个理论体系下,咱们不应该依据矢量——比方力——来考虑重力,而应将重力作为世界“形状”的产品。
依据牛顿的观点,引力是一种线性定向的力,在这种力的效果下,一切有质量的物体都被其他有质量的物体牵引。他的剖析标明,力的强度与两个彼此招引的物体的产品成正比,而与它们之间的间隔的平方成反比。因而一个苹果和地球会彼此牵引对方,并且苹果从树上“坠落”。由于光(不管被看做射线仍是光子)没有分量,因而牛顿的方程猜测它永久都不或许被任何物体的引力招引,不管物体多么巨大。
图解:苹果从树上坠落。图源:sohu.
为了制作一个与一切研究者坚持一致、并且不依赖某些独立的固定参考系的理论结构,爱因斯坦扔掉了对重力效果的知道,从头规划一个新的理论体系。依据这个理论,一切具有质量的物体都会改动时空的曲率,即世界的四维结构。然后,物体遵从已创立的曲线在时空中运动。
图解:爱因斯坦的广义相对论以为重力是时空(或世界)的一种形状,有质量的物体歪曲时空,在这个时空内的物体沿已歪曲的时空作运动,体现为引力。质量大的物体对时空的歪曲大,质量小的物体对时空的歪曲小(这与牛顿所以为的“引力是一种力”的观点相左)。图源:dreamstime.
由于人类的大脑不拿手幻想四维物体,咱们通常用三维空间做比方。把时空幻想成一块橡胶板,在此时拉平。假如咱们往这个“时空”放置一个质量极大的物体比方一个天体,它会把这块橡胶板向下推,在橡胶板上发作一圈涟漪或许一个洼陷。
图解:引力将时空歪曲成了一个漏斗。图源:baijiahao.
这个天体的行星在沿着这块橡胶板运动的时分做的不是直线运动,当它通过这个洼陷时,行进路线会发作曲折,朝着新的方向运动。假如一个物体以正确的速度运动,它或许会卡在洼陷中,顺着轨迹沿行星行进,就像一个球绕着轮盘行进。到目前为止,这个理论的猜测都和牛顿的猜测相同,可是现在有了一个差异——假如光线沿着时空的这块橡胶板行进,同样会跟从曲线运动,由于时空的曲率现已被天体创造出来了。事实上,假如这个洼陷满足深,而四面的墙面很陡,光线或许会掉进这个洼陷中,再也无法逃离。
图解:不同质量的天体对时空形成的变形。图中从左至右依次为太阳、中子星、黑洞。图源sina.
(咱们称作“黑洞”的东西)牛顿没有留意到光线的曲折,由于需求一个质量极大的物体,才能使像光线那样快速运动的物体,曲折到能被观测者留意到。这也是咱们依然学习和运用牛顿方程的原因——它在大多数时分都是适用的。但试验标明牛顿错了,正如爱因斯坦猜测的那样,光线会被具有质量的物体招引。
参考资料
1.维基百科全书
2.天文学名词
3. 精卫- quora
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